ダークマターアクシオンの探索

• 研究課題/領域番号: 09102010
• 研究種目: 特別推進研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 物理系
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 松木 征史 京都大学, 化学研究所, 教授 (50037941)
• 研究分担者: 舟橋 春彦 京都大学, 理学研究科, 講師 (00283581) ; 山本 克治 京都大学, 工学研究科, 教授 (90191395)
• 研究期間 (年度): 1997 – 2002
• 研究課題ステータス: 完了 (2002年度)
• 配分額: 289,000千円 (直接経費: 262,000千円、間接経費: 27,000千円); 2002年度: 44,200千円 (直接経費: 34,000千円、間接経費: 10,200千円); 2001年度: 72,800千円 (直接経費: 56,000千円、間接経費: 16,800千円); 2000年度: 27,000千円 (直接経費: 27,000千円); 1999年度: 37,000千円 (直接経費: 37,000千円); 1998年度: 40,000千円 (直接経費: 40,000千円); 1997年度: 68,000千円 (直接経費: 68,000千円)
• キーワード: 宇宙 / ダークマター / アクシオン / リドベルグ原子 / マイクロ波共振空胴 / 希釈冷凍機 / フィールドイオン化 / マイクロ波共振空洞 / マイクロ波検出 / アクツオン / 宇宙由来素粒子 / 超高感度マイクロ波検出 / ダ-クマタ- / ダ-クハロ- / 超高密度マイクロ波検出

研究概要

共振空胴中でのリドベルグ原子を用いて、ダークマターアクシオンを11μeVより重い質量領域に広げて探索した。これにともなって、装置系の改造をいくつかの点で実行し、探索効率を向上させた。特に、検出器系の近傍における浮遊電場の減少、磁場の存在下でのリドベルグ原子ビームの速度広がりに起因するシュタルク効果の低減、リドベルグ原子と基底状態原子との間の衝突による状態遷移効果の低減、などを行った。中でも、浮遊電場の低減は、最も検出効率の向上に影響を与える要素であり、関連装置の清浄化と長時間の高真空中でのベーキングを行うなどの事前の取り扱いを厳重に管理し、またクライオスタット内に組み込む際にも汚れの混入が無いように注意深い処理を行っている。以上の改善には、関連して装置系全体の清浄化の長時間維持、磁場遮蔽の徹底、原子ビームを含む検出器系のパルス化、などの新しい工夫を行っている。
以上に加えて、共振空胴の共振周波数を変化させるポスト系を改造して、より効率の高い電場分布を生成した。これにより、空胴のQ値も増大し、検出効率も改善された。また、リドベルグ原子ビームの強度を上げて、効率をより向上させる為に、6極磁石の導入を検討した。関連して、自作装置の一部を最新のものに置き換え、より安定性を向上させた。
以上のような装置系の改善により、探索の効率は向上しており、より短時間で探索が可能となっている。探索領域を広げると同時に、空胴共振モードの干渉などで探索が出来ていなかった領域についても、出来る限り連続した探索となるように、実験を行った。現在のところ、しかし、アクシオンの存在を明確に示す結果は得られていない。

研究成果

• [文献書誌] Kishimoto et al.: "Systematic observation of tunneling field ionization in highly excited Rb Rydberg"Phys.Lett.A. 303. 279-284 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Tada et al.: "Manipulating ionization path in a Stark map : Stringent schemes for the selective field ionization in highly excited Rb Rydberg atoms"Phys.Lett.A. 303. 285-291 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] R.Bradley, S.Matsuki et al.: "Microwave cavity searches for dark matter axions"Rev.Mod.Phys.. 75. 777-817 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Shibata et al.: "Field ionization electron detector at low temperature of 10 mK range"Rev.Scie.Instr.. 74. 3317-3323 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Haseyama et al.: "Second- and Fourth- order Stark shifts and their principal-quantum-number dependence in high Rydberg states of ^<85>Rb"Phys.Lett.A. 317. 450-457 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Kishimoto: "Systematic observation of tunneling field ionization in highly excited Rb Rodberg atoms"Physics Letters. A303. 279-284 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Tada: "Manipulating ionization path in a Stark map : stringent schemes for the selective field ionization in highly excited Rb Rydberg atoms"Physics Letters. A303. 285-291 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] R.BRADLEY, S.Matsuki: "Microwave cavity searches for dark matter axions"Review of Modern Physics. 75. 777-817 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Shibata: "Field ionization electron detector at low temperature of 10 mK range"Review of Scientific Instruments. 74. 3317-3323 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Haseyama: "Second-and fourth-order Stark shifts and their principal-quantum-number dependence in high Rydberg states of ^<85>Rb"Physics Letters. A317. 450-457 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Kishimoto, H.Funahashi, K.Yamamoto, S.Matsuki et al.: "Systematic observation of tunneling field-ionization in highly excited Rb Rydberg atoms"Physics Letters. A303. 279-284 (2002)
• [文献書誌] M.Tada, H.Funahashi, K.Yamamoto, S.Matsuki et al.: "Manipulating ionization path in a Stark map : Stringent schemes for the selective field ionization in highly excited Rb Rydberg atoms"Physics Letters. A303. 285-291 (2002)
• [文献書誌] R.Bradley, J.Clarke, S.Matsuki, P.Sikivie, L.Rosenberg, K.van Bibber, et al.: "Microwave cavity searches for dark-matter axions"Review of Modern Physics. (in press). (2003)
• [文献書誌] M.Shibata, H.Funahashi, K.Yamamoto, S.Matsuki et al.: "Field-ionization electron detector at low temperature of 10 mK range"Review of Scientific Instruments. (in press). (2003)
• [文献書誌] K.Yamamoto, S.Matsuki, H.Funahashi: "The Rydberg-atom-cavity axion search"Proceedings of the Int. Conf. on dark matter in astro-and particle physics. 1. 638-645 (2001)
• [文献書誌] M.Tada, S.Matsuki, K.Yamamoto, et al.: "CARRACK2-a new large-scale experiment to search for axions with Rydberg-atom cavity detector-"Proceedings of the International Workshop on axions, Gainsville , Florida, March 13-15,1998. Nuclear Physics B.. 72. 164-168 (1998)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum analysis of the Rydberg atom cavity detector for dark matter axions"Proceedings of the International Workshop on axions, Gainsville, Florida, March 13-15,1998. Nuclear Physics B. 72. 132-136 (1998)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S,Matsuki, H.Funahashi, K.Yamamoto, et al.: "Progress in Kyoto axion search experiment."Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe, Buxton, UK, September 7-11,1998. 441-446 (1998)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto and S.Matsui: "Quantum analysis of Rydberg atom cavity deetector for dark matter axion search"Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe, Buxton, UK, September 7-11;1998. 474-479 (1998)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Kishimoto, S.Matsuki, H.Funahashi, K.Yamamoto, et al.: "The CARRACK2 axion experiment"Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe, Buxton, UK, September 7-11,1998. 636-641 (1998)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto, S.Matsuki and I.Ogawa: "Quantum calculationson axion-photon-Rydberg interactions in resonant cavities"Proceedings of the International Symposium on Dark Matter in the Universe and Its Direct Detection. 129-134 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] I.Ogawa, K.Yamamot, and S.Matsuki et al.: "Search for dark matter axions with Rydberg atoms in resonant cavities"Proceedings of the International Symposium on the Dark Matter in the Universe and Its Direct Detection. 175-180 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto and S.Matsuki et al.: "The Rydberg-atom-cavity axion search"Proceedings of the International Workshop on Dark Matter in the Universe. (in press). (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Masaru Tada: "Coherent time evolution of highly excited Rydberg states in pulsed electric field.: opening a stringent way to selectively field-ionize the highly excited states."Memoirs of the Faculty of Science, Kyoto University, Series of Physics, Astrophysics. (in press). (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Kitagawa, K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum analysis of Rydberg atom cavity deetector for dark matter axion search"Phys.Rev.D. (to be published). (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Tada, S.Matsuki et a.: "Axion Search Experiment in Kyoto"International Symposium on the Nuclear Electro-Weak Process for Symmetry and Electroweak Nuclear Process. (in press). (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto, S.Matsuki and I.Ogawa: "Quantum calculations on axion-photon-Rydberg interactions in resonant cavities."Proceedings of the second RESCEU International Symposium on Dark Matter in the Universe and its Direct Detection, Nov., 1996, Tokyo, ed.M.Minowa (Universal Academy Press, Tokyo). (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] I.Ogawa, Y.Kishimoto, M.Tada, S.Matsuki, K.Yamamoto, A.Masaike, S.Watanabe, and M.Matsuzawa: "Search for Dark Matter Axions with Rydberg Atoms in Resonant Cavities."Proceedings of the second RESCEU International Symposium on Dark Matter in the Universe and its Direct Detection, Nov., 1996, Tokyo, ed.M.Minowa (Universal Academy Press, Tokyo). (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Tada, Y.Kishimoto, K.Kominato, M.Shibata, H.Funahashi, K.Yamamoto, A.Masaike and S.Matsuki: "CARRACK II-a new large-scale experiment to search for axions with Rydberg-atom cavity detector."Nucl.Phys.. B72. 233 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum analysis of the Rydberg-atom cavity detector of dark matter axions."Nucl.Phys.. B72. 132 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Matsuki, M.Tada, Y.Kishimoto, M.Shibata, K.Kominato, C.Ooishi, H.Funahashi, K.Yamamoto and A.Masaike: "Progress in Kyoto axion search experiment."Proceedings of the Second International Workshop on the Identification of Dark Matter, Buxton UK, 1998, eds.N.J.Spooner and V.Kudryatsev, (World Scientific, Singapore). (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum Analysis of Rydberg-atom Cavity Detector for Dark Matter Axion Search."Proceedings of the Second International Workshop on the Identification of Dark Matter, Buxton UK, 1998, eds.N.J.Spooner and V.Kudryatsev, (World Scientific, Singapore). (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Kishimoto, M.Tada, M.Shibata, K.Kominato, C.Ooishi, H.Funahashi, K.Yamamoto, A.Masaike and S.Matsuki: "The CARRACK-2 Axion Experiment."Proceedings of the Second International Workshop on the Identification of Dark Matter, Buxton UK, 1998, eds.N.J.Spooner and V.Kudryatsev, (World Scientific, Singapore). (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Tada, Y.Kishimoto, M.Shibata, K.Kominato, H.Funahashi, K.Yamamoto, A.Masaike and S.Matsuki: "Axion Search Experiment in Kyoto."International Symposium on the Nuclear Electro-Weak Process for Symmetries and Electroweak Nuclear Process, Osaka Japan. (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto, M.Tada, Y.Kishimoto, K.Kominato, M.Shibata, C.Ooishi, S.Yamamda, T.Saida, H.Funahashi, A.Masaike and S.Matsuki: "The Rydberg-Atom-Cavity Axion Search."International Symposium on the Dark Matter in the Universe, Heidelberg Germany. (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Masaru Tada: "Coherent time evolution of highly excited Rydberg states in pulsed electric field : opening a stringent way to selectively field-ionize the highly excited states."Memoirs of the Faculty of Science, Kyoto University, Series of Physics, Astrophysics. (in press.). (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.Kitagawa, K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum analysis of Ryderg-atom cavity detector for dark matter search."Phys.Rev.D. (to be published ; ) LANL-Preprint Archive, hep/ph-9908445..
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Yamamoto,H.Funahashi,and S.Matsuki et al.: "The Rydberg-atom-cavity axion search."Proceedings of the International Conference on Dark Matter in the Universe, Heidelberg Germany, July, 2000.. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] M.Tada: "Coherent time evolution of highly excited Rydberg states in pulsed electric field."Memoirs of the Faculty of Science, Kyoto University, Series of Physics and Astrophysics.. (掲載予定). (2001)
• [文献書誌] A.Kitagawa,K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum analysis of Rydberg atom cavity detector for dark matter axion search."Physical Review D. (掲載予定). (2001)
• [文献書誌] M. Tada, S. Matsuki, K. Yamamoto, et al.: "CARRACK2-a new large-scale experiment to search for axions with Rydberg-atom cavity detector"Nuclear Physics. B72. 164-168 (1999)
• [文献書誌] K. Yamamoto and S. Matsuki: "Quantum analysis of the Rydberg atom cavity detector for dark matter axions"Nuclear Physics. B72. 132-136 (1999)
• [文献書誌] S. Matsuki, J. Funahashi, K. Yamamoto, et al.: "Progress in Kyoto axion search experiment"Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe, Buxton, UK, September 7-11, 1998. 441-446 (1999)
• [文献書誌] K. Yamamoto and S. Matsuki: "Quantum analysis of Rydberg atom cavity detector for dark matter axion search"Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe, Buxton, UK, September 7-11, 1998. 474-479 (1999)
• [文献書誌] Y. Kishimoto, S. Matsuki, H. Funahashi, K. Yamamoto, et al.: "The CARRACK2 axion experiment"Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe, Buxton, UK, September 7-11, 1998. 636-641 (1999)
• [文献書誌] M.Tada,S.Matsuki,K.Yamamoto,et al.: "CARRACK2-a new large-scale experiment to search for axions with Rydberg-atom cavity detector-" Proceedings of the International Workshop on axions,Gainsville,Florids,March 13-15,1998. Nuclear Physics B.(to be pubished). (1998)
• [文献書誌] K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum analysis of the Rydberg atom cavity detector for dark matter axions" Proceedings of the International Workshop on axions,Gainsville,Florids,March 13-15,1998. Nuclear Physics B.(to be pubished). (1998)
• [文献書誌] S.Matsuki,H.Funahashi,K.Yamamoto,et al.: "Progress in Kyoto axion search experiment." Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe,Buxton,UK,September 7-11,1998. (to be pubished). (1998)
• [文献書誌] K.Yamamoto and S.Matsuki: "Quantum analysis of Rydberg atom cavity deetector for dark matter axion search" Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe,Buxton,UK,September 7-11,1998.(to be pubished). (1998)
• [文献書誌] K.Kishimoto,S.Matsuki,H.Funahashi,K.Yamamoto,et al.: "The CARRACK2 axion experiment" Proceedings of the International Symposium on the Identification of Dark Matter in the Universe,Buxton,UK,September 7-11,1998. (to be pubished). (1998)
• [文献書誌] K.Yamamoto, S.Matsuki, and I.Ogawa: "Quantum calculations on axion-photon-Rydberg atom interactions in resonant cavities" Proc.Int.Symp.on Dark Matter in the Universe. 1. 129-134 (1997)
• [文献書誌] I.Ogawa, S.Matsuki et al: "Search for dark matter axion with Rydberg atoms in resonant cavities" Proc.Int.Symp.on Dark matter in the Universe. 1. 175-180 (1997)