LUXE-NPOD Design-Optimierung für untergrundfreie ALP-Suchen unter realistischen Beam-Dump-Bedingungen

Eine Zusammenarbeit zwischen dem KIT, dem IFIC Valencia, dem Weizmann-Institut und dem Technion hat eine detaillierte Optimierung des LUXE-NPOD-Experiments abgeschlossen, das darauf abzielt, axionartige Teilchen (ALPs) über Photonenstrahl-Dump-Wechselwirkungen zu entdecken. NPOD wurde als zusätzliches Programm für neue Physik neben den primären Strong-Field-QED-Zielen von LUXE konzipiert und nutzt den kollimierten Photonenfluss im GeV-Bereich, der bei der Elektron-Laser-Wechselwirkung erzeugt wird. Wenn diese Photonen in einem dichten Dump-Material absorbiert werden, können sie über den Primakoff-Prozess ALPs erzeugen. Ein Kalorimeter identifiziert dann ALPs, die in Photonenpaare zerfallen.

"Bei früheren Arbeiten bestand die größte Herausforderung in der Menge der für die Simulation erforderlichen Rechenressourcen, was dazu führte, dass nur vereinfachte Studien durchgeführt wurden. Dank der ETP-Rechenressourcen konnten wir nicht nur mehr Ereignisse für einen realistischen Versuchsaufbau simulieren, sondern auch verschiedene Designs testen, einschließlich der Implementierung eines Magnetfelds", erklärt Dr. Quishpe. Die Studie ersetzt frühere Arbeiten, die von vereinfachten Annahmen ausgingen, durch vollständige Geant4-Simulationen, realistische Detektormodellierung und -rekonstruktion sowie verbesserte Beam Dumps. Das optimierte Design besteht aus einem mit Blei umwickelten Wolframkern, der in Beton eingeschlossen ist, um Neutronen- und Photonenhintergründe zu unterdrücken.

Das LUXE ECAL, ein kompaktes SiW-Kalorimeter mit hoher Granularität, ist das Herzstück dieses Experiments. Es löst Photonenpaare bis zu einem Abstand von ~2 cm auf, rekonstruiert Zeit, Energie und Einfallswinkel mit hoher Präzision und unterdrückt Neutronen- und Pionenhintergründe mit einer Effizienz von >99%. Mit diesem Aufbau wird LUXE-NPOD den bisher unzugänglichen ALP-Parameterraum für ALPs mit Massen im Bereich von 30-300 MeV untersuchen.

Die vollständige Studie ist als Preprint verfügbar.

Kontakt: Dr. Nicolò Trevisani und Dr. Raquel Quishpe