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

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H03974
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 小川 泉 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (20294142)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松原 明 京都大学, 理学研究科, 准教授 (00229519) ; 中島 恭平 福井大学, 学術研究院工学系部門, 講師 (30722540) ; 玉川 洋一 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (40236732) ; 時安 敦史 東北大学, 電子光理学研究センター, 助教 (40739471) ; 松木 征史 大阪大学, 核物理研究センター, 協同研究員 (50037941)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 素粒子実験 / ダークマター / アクシオン / リドベルグ原子

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、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とを目的としている。具体的には、これまでの探索実験装置における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 = 100μeV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。
平成２９年度は昨年度に引き続き、現有装置CARRACKの改良を主として行った。具体的には、１）リドベルグ原子ビームとして残留電場の影響を受けにくいカリウムを採用したバンチ化原子ビーム発生装置の開発、２）アクシオン転換光子を吸収したリドベルグ原子を検出するためのフィールドイオン化装置の改良である。
１）は、原子ビーム発生部・第一圧縮部・加速部・第二圧縮部・速度選別部・ビームモニター部からなる。本年度は第二圧縮部・速度選別部を除く部分について、組み合わせを変更しながら性能確認試験を進めた。第一圧縮部及び加速部については、電磁石・永久磁石を用いてビームパイプ内に適切な磁場を生成しているが、後述する運送時のトラブルにより、想定していた磁場プロファイルからのずれが確認されたため、修正を行った。また、組み立て後に真空試験を行った結果、リーク箇所があることが判明した。
２）は長時間の測定において不安定であった既存の検出器（チャンネルトロン）から、加速電極・シンチレータ・光ファイバー・光電子増倍管からなるシステムへの変更である。昨年度までに行ったシミュレーションに基づいて設計製作を行い、テスト用真空装置への組み込みを行い、初期の性能試験を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初予期していなかった事情により実験場所を変更する必要に迫られ、実験装置の運搬を行った。その際にバンチ化原子ビーム発生装置の一部にダメージを負った。具体的には「研究実績の概要」に書いた、磁場プロファイルのずれと真空漏れである。特に後者に対しては、リークディテクターのトラブルも重なって、リーク箇所の特定に時間がかかってしまった。そのため、バンチ化原子ビーム発生装置全体を組み立てての性能テストまで進めることができなかった。

Strategy for Future Research Activity

前述のバンチ化原子ビーム発生装置のトラブルのうち、磁場プロファイルは修正済みで、新クリークについてはその個所を特定した。この部分の修理を行った後、全体を組み立てて性能評価試験を進めていく。
フィールドイオン化部については、テスト用真空装置での性能評価と本実験を想定したバックグラウンド測定を進めていく。