Dark matter Axion search using quantum-coherence amplification mechanism

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H00686
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: SASAO Noboru 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任教授 (10115850)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮本 祐樹 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 研究准教授 (00559586) ; 平木 貴宏 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (40791223) ; 原 秀明 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特別契約職員(助教) (70737311)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: dark matter / axion / dark photon / quantum coherence

Outline of Final Research Achievements

In this study, we search for relatively light-dark particles (axions or dark photons) whose masses are in the meV region using the method called a quantum coherence amplification mechanism. For this purpose, (1) cesium atoms were selected as a target and collected/cooled using magneto-optical trapping techniques. (2) The forbidden transition (8P-6P) matrix element, a crucial parameter to determine the coherence of the cesium ensemble, was experimentally determined. (3) In addition, we discovered periodic super-radiance in rare-earth doped crystals.

Free Research Field

素粒子物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

「暗黒物質の正体は何か？」この疑問に明快な答えを与えることは、宇宙論や素粒子論の将来を切り開く喫緊の課題となっている。本研究は量子干渉性増幅機構と呼ばれる方法を用い、比較的軽い暗黒粒子(meV質量領域)に対し感度のある探索方法を開発した。また周期的な超放射現象を発見した。この現象は我々の知る限り報告されておらずそれ自体興味深い。それとともに新たなコヒーレント光源に発展する可能性がありその点でも意義がある。