ダークマターアクシオンの探索

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09102010
• 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, 助教授 (50037941)
• 研究分担者: 舟橋 春彦 京都大学, 理学研究科, 助手 (00283581) ; 山本 克治 京都大学, 工学研究科, 教授 (90191395)
• 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 / マイクロ波共振空洞 / 希釈冷凍機 / フィールドイオン化

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。これに伴って、装置系の改造を幾つかの点で実行し、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、リドベルグ原子ビームの速度広がりに依存するモーショナル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り状態遷移を起こす効果の低減、などを行った。以上の改善には、装置系のさらなる清浄化とその維持、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、共振空洞の共振周波数を変化させるポストシステムの構造を改造し、より効率の良い電場分布を生成した。これにより、空洞の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ために、基底状態原子ビームの収束を高める6極磁石を導入する計画を実施しており、これにより強度増強とともに、原子ビーム速度分布の広がりも押さえることが出来て、モーショナルシュタル効果の低減にも役立つと考えている。関連して、手作りの装置系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、探索の効率が向上しており、より短時間で探索が可能になってきている。探索をより重い質量領域に広げると同時に、11μeVよりも軽い領域でモードの干渉などにより探索が出来ていなかった飛び飛びの質量領域についても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] 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)