2021 Fiscal Year Research-status Report
ミリ波分光器を用いた暗黒光子探索―前人未踏の質量領域を切り拓く
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20K14486
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
安達 俊介 京都大学, 白眉センター, 特定助教 (80835273)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ダークフォトン / ミリ波 / 極低温 / ダークマター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はダークフォトンという、光子とのみ弱く反応し、ダークマター候補にもなる予言粒子を探索する実験である。探索方法としては、ダークフォトンが金属表面で光子に微弱に転換し、ミリ波の転換光を生じることを利用して、ミリ波受信機を金属板に向けて転換光を捉える。転換光は微弱にしか生じないため、低ノイズなミリ波受信機が必要となり、本研究ではその実現のために極低温(3K)に冷却した受信機を開発してきた。
昨年度まではミリ波受信機の開発に注力してきたが、本年は昨年度までに設計・製造した受信機を組み立て、実際に2週間のダークフォトン探索測定をおこなった。詳細に解析した結果、残念ながら有意なダークフォトンらしき兆候は見られなかったが、転換光周波数 18--26.5 GHz (ダークフォトン質量で 0.07--0.11 meV/c^2) での初めての地上ダークフォトン探索となった。この周波数幅は過去のミリ波での地上ダークフォトン探索実験 (Tomita et. al. 2020) の周波数帯域幅より1000倍も広い探索領域であり、かつダークフォトンと光子の結合定数χに対する制限は 10^{-10} 以下(95% C.L.) であった。このχへの制限は、宇宙観測による制限よりも1桁ほど小さい結合定数であり、この質量とχの領域にはダークフォトンは存在しないという新しい知見が得られた。
この探索でダークフォトン探索実験の一連の流れは確立されたので、更にダークフォトン受信機の部品変更をして他の周波数領域にも対応できるようにし、ダークフォトン質量の探索領域を広げていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は無事受信機が完成し、問題なく測定を終えることができた。測定結果に対する解釈(χに対する制限への焼き直し)にも時間を要したが、χに対する制限への変換方法も確立された。本研究者が初めておこなったダークフォトン探索実験であったが、一連の探索方法を確立することができた。また、過去の実験と異なり、アンテナまでを含めて極低温受信機を開発したことで従来実験より感度の高い測定がおこなえた。さらに、新たにデッドタイムの少ないスペクトラムアナライザを導入したことで周波数探索幅も従来実験より1000倍もの広い範囲を探索できたため、概ね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度前半はこの実験結果を学術論文にまとめて投稿する予定である。
また、この探索でダークフォトン探索実験の一連の流れは確立できたので、更にダークフォトン受信機の部品変更をして、他の周波数領域にも対応できるようにする準備をしていきたい。
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| Causes of Carryover |
受信機の周波数帯域を変更するために部品を購入したが、納期に時間がかかっており、納品が次年度になったため。
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