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レーザー誘導共鳴散乱によるXENON1T超過事象のアクシオン的解釈の検証

研究課題

研究課題/領域番号 21H04474
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
研究機関広島大学

研究代表者

本間 謙輔  広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (40304399)

研究分担者 時田 茂樹  京都大学, 化学研究所, 教授 (20456825)
橋田 昌樹  東海大学, 総合科学技術研究所, 特任教授 (50291034)
金井 恒人  京都大学, 化学研究所, 特定准教授 (00442947)
井上 峻介  京都大学, 化学研究所, 助教 (40724711)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
41,730千円 (直接経費: 32,100千円、間接経費: 9,630千円)
2024年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 22,230千円 (直接経費: 17,100千円、間接経費: 5,130千円)
2021年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
キーワードアクシオン / 暗黒物質 / レーザー / 高強度レーザー / レーザー誘導共鳴散乱 / 真空内四光波混合 / XENON1T / 誘導共鳴散乱
研究開始時の研究の概要

暗黒物質となり得るアクシオンは自発的対称性の破れに伴う質量の軽いボゾンの一種である。XENON1T実験が反跳電子エネルギーの超過事象を報告し、太陽アクシオンによる説明を試みている。本研究は光とアクシオン的粒子(ALP)の結合に着眼し、XENON1Tが指摘する質量域のALPを直接生成かつ崩壊させて検証する。具体的には、2色から成る極短パルスレーザービームを真空中で衝突させるものであり、軽いALPを介した誘導共鳴散乱を模型に依らず実験室で探索できる。国内外の高強度レーザーを駆使して、2ビームによる準平行系散乱、および、3ビームによる対称入射角散乱によりXENON1Tが指摘する質量-結合域を重点的に検証する。

研究実績の概要

京都大学化学研究所サイト:
R5年度はeV質量域のアクシオン的粒子探索に重点をおき、3ビームによる対称入射角散乱において、昨年度構築した入射角度を可変とする衝突装置により、eV質量域を走査的に探索することに初挑戦した。加えて、R4年度中、2ビームによる準平行系散乱による探索において、生成用レーザービーム強度を1桁増強した状態で探索を実施した結果、プラズマ生成と光学素子表面起因の背景信号光の増光が見られた。これらの背景光の出射角分布は、集光軸上に集中する兆候が見られるため、この出射角分布を利用した背景光除去方法(日食フィルター法)を確立した上で、R5年度に探索を実施した。並行して、誘導光の短パルス化へ向けた光学パラメトリック増幅のための装置を導入し、近未来の探索へ向けた光学経路の再設計を実施した。
欧州連合ルーマニアELI-NPサイト:
R4年度は、比較的低強度のビームを用いたコミッショニング用に探索用光学素子群を、大型の低真空度容器内に導入して、様々な診断を実施した。R5年度は、高強度ビームによる探索へ向けて、これらの探索用光学素子群を、高真空度に対応した中型の真空容器に移設した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画したことは、ほぼスケジュール通り完了できた。一方、探索の試みの結果、想定外の背景光の存在も測定しており、今後、さらなる背景光除去の工夫が必要であることが分かっているため。

今後の研究の推進方策

R5年度中に取得できた探索データの解析結果を踏まえて、論文を執筆、出版するのと並行して、以下の研究を推進する。
京都大学化学研究所サイト:
eV質量域のアクシオン的粒子探索のため、3ビームによる対称入射角散乱において、R5年度までに構築・較正した入射角度を可変とする衝突装置により、eV質量域を走査的に探索する。並行して、2ビームによる準平行系散乱による探索において、R5年度中に確立したプラズマ生成と光学素子表面起因の背景信号光除去方法を用いて、数10 meV~数100 meV質量域の探索を実施する。加えて、光学パラメトリック増幅を利用して極短パルス化した誘導光ビームを用いて、さらに高感度な探索を同質領域にて試みる。
欧州連合ルーマニアELI-NPサイト:
R5年度中に、高強度ビームによる探索へ向けて、高真空度に対応した真空容器への探索用光学素子群の移設が完了した。R6年度は、京大化学研究所のレーザー強度よりも1桁以上高い高強度レーザーを用いて、数meV~数100 meV質量域のALP探索を試みる。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (42件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 6件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 15件、 招待講演 13件) 備考 (5件) 学会・シンポジウム開催 (2件)

  • [国際共同研究] ELI-NP(ルーマニア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] ELI-NP(ルーマニア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Extreme Light Infrastructure (ELI-NP)(ルーマニア)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Design and Construction of a Variable-Angle Three-Beam Stimulated Resonant Photon Collider toward eV-Scale ALP Search2023

    • 著者名/発表者名
      Hasada Takumi、Homma Kensuke、Kirita Yuri
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 9 号: 8 ページ: 355-355

    • DOI

      10.3390/universe9080355

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Challenge of search for cosmological dark components with high-intensity lasers and beyond2023

    • 著者名/発表者名
      Homma Kensuke, Tesileanu Ovidiu, Nakamiya Yoshihide, Kirita Yuri, et al.
    • 雑誌名

      The European Physical Journal A

      巻: 59 号: 5 ページ: 109-109

    • DOI

      10.1140/epja/s10050-023-01001-y

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Pilot search for axion-like particles by a three-beam stimulated resonant photon collider with short pulse lasers2023

    • 著者名/発表者名
      F. Ishibashi, T. Hasada, K. Homma, Y. Kirita, T. Kanai, S. Masuno, S. Tokita, M. Hashida
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 9 号: 3 ページ: 123-123

    • DOI

      10.3390/universe9030123

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for sub-eV axion-like particles in a stimulated resonant photon-photon collider with two laser beams based on a novel method to discriminate pressure-independent components2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Kirita, T. Hasada, M. Hashida, Y. Hirahara, K. Homma, S. Inoue, F. Ishibashi, Y. Nakamiya, L. Neagu, A. Nobuhiro, T. Ozaki, M. Rosu, S. Sakabe and O. Tesileanu
    • 雑誌名

      Journal of High Energy Physics

      巻: 176 号: 10 ページ: 176-176

    • DOI

      10.1007/jhep10(2022)176

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Hunting dark energy with pressure-dependent photon-photon scattering2022

    • 著者名/発表者名
      Katsuragawa Taishi、Matsuzaki Shinya、Homma Kensuke
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 号: 4 ページ: 044011-044011

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.044011

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Sensitivity to axion-like particles with a three-beam stimulated resonant photon collider around the eV mass range2022

    • 著者名/発表者名
      K. Homma, F. Ishibashi, Y. Kirita and T. Hasada
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 9 号: 1 ページ: 20-20

    • DOI

      10.3390/universe9010020

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Perspective of Direct Search for Dark Components in the Universe with Multi-Wavelengths Stimulated Resonant Photon-Photon Colliders2021

    • 著者名/発表者名
      Homma Kensuke、Kirita Yuri、Ishibashi Fumiya
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 7 号: 12 ページ: 479-479

    • DOI

      10.3390/universe7120479

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Search for sub-eV axion-like resonance states via stimulated quasi-parallel laser collisions with the parameterization including fully asymmetric collisional geometry2021

    • 著者名/発表者名
      The SAPPHIRES collaboration、Homma Kensuke、Kirita Yuri、Hashida Masaki、Hirahara Yusuke、Inoue Shunsuke、Ishibashi Fumiya、Nakamiya Yoshihide、Neagu Liviu、Nobuhiro Akihide、Ozaki Takaya、Rosu Madalin-Mihai、Sakabe Shuji、Tesileanu Ovidiu
    • 雑誌名

      Journal of High Energy Physics

      巻: 2021 号: 12

    • DOI

      10.1007/jhep12(2021)108

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Searches for dark matter with 10 TW and beyond2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      Japan - ELI Joint Workshop on Collboration in High Power Laser Science and Technology, PACIFICO Yokohama Conference Centre (2023.4.17)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Probing cosmological dark components with multi-wavelengths high-intensity coherent photons2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      The 79th Fujihara Seminar Prospects for High Field Science PHFS2023, the Awaji Yumebutai International Conference Center in Awajishima, Hyogo, Japan (2023.7.13)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Search for axion-like particles with combinations of high-intensity coherent fields2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      The 5th Conference on Extremely High Intensity Laser Physics (ExHILP 2023), Gwangju, Korea (2023.9.15)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Helicity dependent gamma-gamma scattering for testing QED and BSM2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      Romanian-Japanese Bilateral Workshop on QED and Plasma Interactions in Petawatt Laser Experiments, Bucharest Romania (2023.10.10).
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Step-by-Step Approach to Search for Dark Matter with Stimulated Resonant Laser Colliders2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      The Winter Colloquium on the Physcs of Quantum Electronics 2023 (Utha, U.S., 2023.1.12)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Physics with high-intensity electromagnetic fields2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      nd International Workshop on Forward Physics and Forward Calorimeter Upgrade in ALICE (Tsukuba, Japan, 2023.3.13)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Testing a solar axion scenario with stimulated laser colliders2022

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      30th ANNUAL INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP (online 2022.7.20)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Perspective for Direct Production of Dark Components in the Universe by Multi- Wavelength Electromagnetic Field Collision2022

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      Physics Calfornia 2022 (online 2022.7.21)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Direct production of Dark Matter with high-intensity lasers2022

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      ELI Summer School 2022 (online 2022.08.31)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 3つのパルスレーザービーム誘導共鳴散乱による軽い暗黒物質探索の可能性2022

    • 著者名/発表者名
      本間謙輔,石橋迪也,桐田勇利
    • 学会等名
      レーザー学会 学術講演会 第42回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高強度誘導光子散乱によるALP探索に向けた真空下レーザー集光転送系の設計と試作2022

    • 著者名/発表者名
      桐田勇利, 羽佐田拓海, 橋田昌樹, 本間謙輔, 井上峻介, 石橋迪也, Y. Nakamiya, L. Neagu, M. Rosu, 阪部周二, O. Tesileanu, 他 SAPPHIRES collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 非対称衝突を含めた準平行系光子光子散乱の定式化に基づいたsub-eV質量領域アクシオン的粒子の探索2022

    • 著者名/発表者名
      桐田勇利, 信廣晃秀, 平原祐輔, 本間謙輔, 尾崎尭弥, 石橋迪也, 井上峻介, 橋田昌樹, 阪部周二, Y. Nakamiya, L. Neagu, O. Tesileanu 他 SAPPHIRES collaboration
    • 学会等名
      レーザー学会 学術講演会 第42回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 3つのパルスレーザービーム誘導共鳴散乱によるeV質量域アクシオン探索に向けた衝突系の構築2022

    • 著者名/発表者名
      石橋迪也, 本間謙輔, 桐田勇利
    • 学会等名
      レーザー学会 学術講演会 第42回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 3つのパルスレーザー誘導共鳴散乱によるALP探索に向けた超短パルスの時空間同期手法の検証2022

    • 著者名/発表者名
      石橋迪也, 羽佐田拓海, 本間謙輔, 桐田勇利, 橋田昌樹, 升野振一郎
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年春季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 3つのパルスレーザー誘導共鳴散乱によるALP探索へむけた衝突エネルギー連続的走査可能な衝突系の設計と試作2022

    • 著者名/発表者名
      羽佐田拓海,石橋迪也,桐田勇利,本間謙輔
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Perspective of direct search for dark components in the Universe with multi-wavelengths photons2021

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      Nuclear Photonics 2020
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Search for Sub-eV Axion-Like Resonance States via Stimulated Quasi-Parallel Laser Collisions with the Parameterization Including Fully Asymmetric Collisional Geometry2021

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma et al.
    • 学会等名
      29th ANNUAL INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Probing dark components in the Universe with high-intensity lasers2021

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      ELI Summer School 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Probing weakly coupling pseudo Nambu-Goldstone bosons with stimulated resonant photon-photon colliders2021

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma
    • 学会等名
      2nd IIT Bombay-Hiroshima workshop for Frontirers of Astro-Particle Physics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimulated radar collider for probing gravitationally weak coupling pseudo Nambu-Goldstone bosons2021

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Homma and Yuri Kirita
    • 学会等名
      16th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Search for sub-eV resonant field via four-wave mixing with femtosecond- and nanosecond-pulsed lasers2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Kirita, A. Nobuhiro, Y. Hirahara, T. Ozaki, K. Homma, S. Inoue, M. Hashida, S. Sakabe, Y. Nakamiya
    • 学会等名
      Nuclear Photonics 2020
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 対称入射衝突系3レーザービーム誘導共鳴散乱によるアクシオン探索の可能性2021

    • 著者名/発表者名
      本間謙輔,石橋迪也,桐田勇利
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] レーザーによるsub-eV領域ALPの超高感度探索に向けた高背景光量下での解析2021

    • 著者名/発表者名
      桐田勇利, 本間謙輔, 石橋迪也, 井上峻介, 橋田昌樹, 阪部周二, Y. Nakamiya, L. Neagu, O. Tesileanu 他 SAPPHIRES collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 真空内四光波混合実験における高背景光量決定のためのPMT較正法2021

    • 著者名/発表者名
      石橋迪也, 桐田勇利, 本間謙輔
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] SAPPHIRES

    • URL

      https://spphrs.hiroshima-u.ac.jp

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] ELI-NP LGED

    • URL

      http://www.eli-np.ro/rd5.php

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [備考] SAPPHIERS

    • URL

      https://spphrs.hiroshima-u.ac.jp

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] SAPPHIRES collaboration

    • URL

      https://spphrs.hiroshima-u.ac.jp

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] ELI-NP

    • URL

      http://www.eli-np.ro

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会・シンポジウム開催] 31st ANNUAL INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP2023

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会・シンポジウム開催] 31st ANNUAL INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP2023

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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