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Search for sub-eV axion with two-color femtosecond-pulsed near-infrared lasers

Research Project

Project/Area Number 22KJ2326
Project/Area Number (Other) 22J13756 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section国内
Review Section Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

桐田 勇利  広島大学, 先進理工系科学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords非同軸な誘導共鳴散乱 / 面積走査 / 日蝕フィルタ / アクシオン的粒子 / 誘導共鳴光子衝突器 / 高強度短パルスレーザー / 高真空 / 原子起因四光波混合光
Outline of Research at the Start

素粒子物理学の未解決問題のひとつである強いCP問題を解決するために導入されたPQ対称性は、その自発的破れによってアクシオンを生成する。 本研究は、2色のレーザーを用いてsub-eV質量領域のアクシオン探索を実施し存在を検証することが目的である。現在実験している真空容器には高真空度を保つための窓がついており、これが背景光発生の一因と考えられている。本研究はこれを除去した上で、高強度パルスレーザーを照射させ、高感度で探索することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究期間では、sub-eV質量領域における高感度な未知場探索と、それをおこなうために必要な解析手法の確立と実験装置の改良を遂行した。最終年度前までにおける成果の1つは、これまで発見されていなかった新しい背景光の定量的な評価手法の確立である。これにより、背景光観測下での信号光量の評価をおこなうことが可能となった。最終年度である本年度におこなった成果は、背景光除去のための日蝕フィルタ導入およびその手法確立である。実施者が初年度に執筆した論文の成果から信号光と背景光の放出分布に差異があることが明らかとなったが、これは背景光がビーム中心部で発生するのに対して信号光はビームの辺縁部で発生しうる傾向があることが分かった。これを踏まえて、背景光を大幅にカットする“日蝕フィルタ”なるものをビーム中心に導入することで信号対雑音比を向上できる可能性を見出した。このことから、より高強度なレーザーを用いて探索することが可能になり、フィルタの導入のみで先行研究から1桁程度感度を向上させられる見込みである。最終年度前半はその光学系の構築と日蝕フィルタの調整法の確立をおこなった。最終年度後半は、自身が実施した先行研究よりも1桁高いパルスエネルギーのレーザーを用いて探索実験を実施した。現在このデータを解析中である。本研究期間で得られた大きな成果は背景光を定量的に評価するためのビーム断面積依存性測定法の確立と日蝕フィルタによる劇的な背景光低減である。これらの成果は今後の高感度探索をおこなううえで避けられない高背景光量下を大幅に改善する画期的な手法である。現在ELI-NPでの超高強度レーザーを用いた探索実験が準備中であるが、これらの手法はsub-eVアクシオンの存在検証を可能にする一助となる。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] 極限レーザー核物理研究所(ルーマニア)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] 極限レーザー核物理研究所(ルーマニア)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Challenge of search for cosmological dark components with high-intensity lasers and beyond2023

    • Author(s)
      Homma Kensuke, Tesileanu Ovidiu, Nakamiya Yoshihide, Kirita Yuri, et al.
    • Journal Title

      The European Physical Journal A

      Volume: 59 Issue: 5 Pages: 109-109

    • DOI

      10.1140/epja/s10050-023-01001-y

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Design and Construction of a Variable-Angle Three-Beam Stimulated Resonant Photon Collider toward eV-Scale ALP Search2023

    • Author(s)
      Hasada Takumi、Homma Kensuke、Kirita Yuri
    • Journal Title

      Universe

      Volume: 9 Issue: 8 Pages: 355-355

    • DOI

      10.3390/universe9080355

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Pilot search for axion-like particles by a three-beam stimulated resonant photon collider with short pulse lasers2023

    • Author(s)
      F. Ishibashi, T. Hasada, K. Homma, Y. Kirita, T. Kanai, S. Masuno, S. Tokita, M. Hashida
    • Journal Title

      Universe

      Volume: 9 Issue: 3 Pages: 123-123

    • DOI

      10.3390/universe9030123

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Search for sub-eV axion-like particles in a stimulated resonant photon-photon collider with two laser beams based on a novel method to discriminate pressure-independent components2022

    • Author(s)
      Y. Kirita, T. Hasada, M. Hashida, Y. Hirahara, K. Homma, S. Inoue, F. Ishibashi, Y. Nakamiya, L. Neagu, A. Nobuhiro, T. Ozaki, M. Rosu, S. Sakabe and O. Tesileanu
    • Journal Title

      Journal of High Energy Physics

      Volume: 176 Issue: 10 Pages: 176-176

    • DOI

      10.1007/jhep10(2022)176

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Sensitivity to axion-like particles with a three-beam stimulated resonant photon collider around the eV mass range2022

    • Author(s)
      K. Homma, F. Ishibashi, Y. Kirita and T. Hasada
    • Journal Title

      Universe

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 20-20

    • DOI

      10.3390/universe9010020

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Search for sub-eV axion-like particles with an analysis method for discriminating atomic process backgrounds in a stimulated resonant photon-photon collider2023

    • Author(s)
      Y. Kirita, T. Hasada, M. Hashida, Y. Hirahara, K. Homma, S. Inoue, F. Ishibashi, Y. Nakamiya, L. Neagu, A. Nobuhiro, T. Ozaki, M. Rosu, S. Sakabe, and O. Tesileanu (The SAPPHIRES Collaboration)
    • Organizer
      31st Annual International Laser Physics Workshop
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 準平行系誘導共鳴光子衝突器における圧力非依存な背景光評価手法を導入したsub-eVアクシオン的粒子の探索2023

    • Author(s)
      桐田勇利, 羽佐田拓海, 橋田昌樹, 平原祐輔, 本間謙輔, 井上峻介, 石橋迪也, 中宮義英, L. Neagu, 信廣晃秀, 尾崎尭弥, M. Rosu, 阪部周二, O. Tesileanu, 他 SAPPHIRES collab.
    • Organizer
      レーザー学会 学術講演会 第43回年次大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Search for sub-eV axion-like particles with a development of the method for signal evaluation under the backgrounds from optical elements in a stimulated resonant photon-photon collider2022

    • Author(s)
      Yuri Kirita on behalf of the SAPPHIRES collaboration
    • Organizer
      Kashiwa Dark Matter symposium 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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