2016 Fiscal Year Annual Research Report
単一光子検出法による0.1meV領域の宇宙由来アクシオンの探索
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16H03974
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
小川 泉 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (20294142)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松原 明 京都大学, 理学研究科, 准教授 (00229519)
時安 敦史 東北大学, 電子光理学研究センター, 助教 (40739471)
玉川 洋一 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (40236732)
中島 恭平 福井大学, 学術研究院工学系部門, 特命助教 (30722540)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 素粒子実験 / ダークマター / アクシオン / リドベルグ原子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は暗黒物質の正体をアクシオンであると考え、リドベルグ原子を用いた単一光子検出装置による探索実験を行う。これまでの探索実験の課題であった共振空胴中の残留電場による影響を解決すべく現有装置CARRACK を改良し、全ての標準的アクシオン模型に感度のある探索実験を行い、質量ma = 100 μeV近傍の領域における暗黒物質・アクシオンの存在の検証を行うことを目的としている。
平成２８年度は現有装置CARRACKの改良を主として行った。具体的には、１）重いターゲット質量に合わせて高次モードで使用する共振空胴の設計、２）外場の影響を受けにくい原子種としてカリウムの選定、３）バンチ化原子ビーム発生装置の開発である。
特に３）は１）の高次モード使用に伴う有効体積の減少によって生じる検出効率の低下を補償するためのものである。具体的には、これまで連続的であったリドベルグ原子ビームを空胴中の原子数を保ちながら（高輝度化）、フィールドイオン化検出装置のパルス電場のタイミングに合わせてバンチ化する。レーザー冷却の原理を応用し、回転ディスク型速度選別機の利用により、空間的・時間的に広がりの小さな集団にして局所化する。このバンチ化原子群が共振空胴中に常に一つだけ存在し、かつフィールドイオン化部でパルス電場のタイミングと一致するように制御する。申請時点でいくつかの部品の設計と製作は行っていたので、本年度は残る回転ディスク型速度選別機について検討を行い、設計を進めた。また、レーザー冷却・加速には多数のレーザー光を使用するため、複数台の外部共振器型半導体レーザーの整備も行った。
またフィールドイオン化部の電子検出器について、申請時には想定していなかったが、より長時間の安定動作が可能な検出器のアイディアをシミュレーション等で確認し、それに基づき設計を始めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
申請時に使用を予定していた実験室が事情により使用できなくなったため、平成２８年度は代表者・分担者の各機関で分散して開発・研究を行うことになった。代表者・分担者間の連絡はメール・テレビ会議などで密に行っていたが、各機関での実験室の物理的なスペースの制約等もあり、当初計画よりは多少の遅れが生じてしまった。なお、２９年度からは別の実験室の確保ができたため、そちらに改良・開発中の装置を集約することにより、効率的な開発研究を進め、遅れを取り戻していきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、CARRACKの改良を進めていく。特にバンチ化原子ビーム発生装置の開発を強力に進め、同時に装置各部のモニター／制御を行うハードウェア・ソフトウェアの整備も進める。これらが完成後、性能確認（原子群の空間・速度空間での広がり、個数密度など）試験を行い、CARRACKに組み込む。また２８年度から開始したフィールドイオン化部の電子検出器の改良にも取り組んでいる。まずはテスト用の真空チェンバー内で簡易な検出器システムを作り、動作テストを行う。その結果、より長期にわたる安定動作が可能であるとの結論が得られれば、CARRACKに組み込む。以上の改良により、最終的には質量ma = 100 μeV近傍の領域における暗黒物質・アクシオンの存在の検証実験を行う。
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