1166■ 研究紹介ADMX 実験の過去, 現在, 未来
ワシントン大学

新田 龍海
tnitta1@uw.edu
2022 年 （令和 4 年） 2 月 1 日

はじめに

1

ADMX 実験はワシントン大学（シアトルキャンパス）ルな変数とすることを提案した。これにより宇宙の冷却によって PQ 対称性が自発的に破れ, QCD のクロスオー

バーによってそのポテンシャルの極小点 (θ̄ = 0) に落ちに実験サイトを持つ, 暗黒物質アクシオン探索実験であることにより, 自然に強い CP 問題は解決する。翌年,

あまり日本人が関わってこなかったこともあり, 名前は対称性の破れに伴う南部ゴールドストーンボソンが予言多いのではないだろうか。そこで本稿では, ADMX 実

物質の宇宙論的観点からの性質が精査され, 晴れて暗黒る。四半世紀に渡る歴史を持つ実験ではあるが, 今まで知っているが中身の知れない実験という印象を持つ方がFrank Wilczek 氏と Steven Weinberg 氏 によって, CP

され, アクシオンと名付けられた1 。1980 年前後に, 暗黒験の最新結果に加え, ADMX 実験がいかに発展してき物質の有力な候補と認知されるようなる。結合定数はモ

ADMX 実験を少しでも身近に感じてもらえればと思う。

ノマリの比）2 が 0 の KSVZ と 8/3 の DFSZ モデルが広たか, 今後の計画を交えて紹介したい。興味のある方に

背景

2
2.1

強い CP 問題1976 年に Gerardus ’t Hooft 氏はインスタントンを考デルによって変わるが, E/N （電磁アノマリと QCD ア
くベンチマークとして受け入れられている [2]。一般に加速器や宇宙観測の制限から, アクシオンの質量は 1 eV

以下と考えられている。非常に軽い暗黒物質のド・ブ

ロイ波長は暗黒物質間の平均距離より長くなり, ド・ブ
ロイ波長内の暗黒物質はコヒーレントな波としての性質を発現する。このような暗黒物質は一般に “Wavelike

慮することで U (1)A 問題を解決できることを示し, CP

Dark Matter”（波状暗黒物質）と呼ばれ, WIMP などのる位相パラメータ θ に依存する真空状態, θ 真空を予言しMatter” と対をなす概念である。直感的なイメージとし対称性を破るラグランジアンのトポロジカル項と付随す

粒子的性質に支配される暗黒物質, “Particle-like Dark

た。似たような位相パラメータはクォークの質量項にもて, たとえばアクシオンの質量が O(1 µeV) 程度であれが結果的に強い相互作用の CP 対称性の破れの度合い

ンレーザーパルスが, 1 ms ごとに地球を通過している。

称性は破れる。

2.3

あり (θEW ), ゼロでない値を取る。その和 (θ̄ = θ + θEW )を司っており, θEW を θ がキャンセルしない限り CP 対

π + と π 0 の質量の違いは近似的に θ̄ の大きさによっているため, θ̄ が小さいことは mπ0 ≈ mπ+ から直ちにわば, O(100 m) 程度の大きさのコヒーレントなアクシオ

アクシオンハロスコープ

それほどの頻度でアクシオンの巨大な波が地球をかる。現在では, 中性子の電気双極子モーメントの測定

通過しているのにも関わらず観測が難しい一つの理が偶然キャンセルされたと受け入れられる精度を遥かに

10−17 –10−12 GeV−1 と極めて小さいためである。 初

結果から, θ̄ < 5 × 10−11 [1] に制限されており, 多くの人超えているであろう。これが強い CP 問題である。

2.2

波状暗黒物質アクシオン

1977 年, Roberto Peccei 氏と Helen Quinn 氏は, 新たな U (1) 対称性（PQ 対称性）を導入し, θ̄ をダイナミカ

由は, DFSZ モデルの予言する光子との結合定数がめて現実的なアクシオン探索手法, “アクシオンハロス

コープ”（以後ハロスコープと呼ぶ）を考案したのは,Pierre Sikivie 氏であった [3]。概略図を図 1 に示す。ハ1 Axion という洗剤の名前から取られたことは有名であるが, その会社が “CP” という略称で呼ばれていることは興味深い偶然である。
2 光子との結合定数は, 微細構造定数 (α) とアクシオンの崩壊定数(fa ) を用いて, gaγγ ∼ α(E/N − 1.95)/(2πfa ) と表せる。

than KSVZ couplings, so require greater experimentale↵ort to detect. Therefore, reaching the DFSZ sensitivity has been a long sought after goal of axion experiments. The application of inhomogeneous magnetic fieldprovides a new channel for axions to decay into a photon, whose frequency is given by, f = E/h where E corre-strong static magnetic field to allow the galactic axions
to convert into real photons inside7a microwave cavity.
When the axion’s frequency matches the resonance frequency of the microwave cavity, the conversion rate isenhanced to detectable levels. The power deposited in
the cavity due to this conversion is given by,

Resonant
Cavity Haloscope2

Only successful “invisible” axion dark matter detection technique so far

je ⃗Ampliﬁers

✓

V
136 L
Digitize

Pa! = (1.9⇥10−22 W)

◆✓

167

◆⇣
◆✓
◆
✓
◆✓
◆2 ✓
g ⌘2 氏は同僚の実験家である
Q
Cnlm Sikivie
⇢a
fa
B
David
Tanner 氏, Neil
, (5)
3
0.4
0.97
0.45
GeV/cm
650
MHz
50000
6.8
T
FFT

Sullivan 氏や少数の大学院生と共にフロリダ大学で初期の R&D をはじめた。その磁場は 7.5 T と現在の ADMX

nature. The
maining parameters, 有効体積は(g , ⇢a ) are fixed
実験と同等だが
5%by程度ほどしかなかった。

diometer equation [18]:, 机上のアイデアであったハ
感度は遠く及ばないもののB⃗

signal-to-noise ratio (SNR) is defined by the Dicke ra-E⃗

gaγγ = αgγ /πfa
mac 2 /h ∼ fγ [Hz]

ja ⃗

axion

∇ × B = ∂tE + J + gaγγ(B∂ta − E × ∇a)
FIG. 1. Feynman diagram of the inverse Primako↵ e↵ect. An
axion a converts into a photon by interacting with a virtual
Resonant Cavity
0
in a static magnetic field B through fermionic loop.
photonThe coupling constant is denoted by ga .

⃗ から得られる仮図 1: ハロスコープの概略図。磁場 (B)Paxion tS
ロスコープが, このとき初めて実際の検出器として組み
.
(6)
=
r

B sys
, ロチェスター大学, ブルック上げられた [4]。同時期に

N

k T

b

, フェルミ国立研究所
(RBF)
のグルー
ヘブン国立研究所
that would be depositedin the cavity in the eventofHere S is the signal, N is the noise, Paxion is the power

an axion signal, kB is the Boltzmann constant, Tsys is, Sikivie 氏のアイデアに基づいた結プも実験をはじめthe system noise temperature, t is the integration time,and b is the measurement
bandwidth. The[5]。2frequency
つの実験の大きな違いは, 共振
果を出しているity blackbody noise and amplifier noise, which should be
空洞の周波数同調方式の違いにあった。フロリダ大は今
total system noise temperature Tsys is composed of cav-の ADMX 実験と同じく金属棒を動径方向に動かす方式,
minimized to achieve the highest possible SNR.

RBF は共振空洞の軸方向に金属棒を挿入していく方式
III. THE DETECTOR
想光子と相互作用したアクシオン（点線の曲線）は, 共
前者は感度に優れる3 ものの同調範囲が狭い弱点がHere, V is the volume of the cavity, B is the magnetic で, ADMX
is located at the Center for Experimental Nu⃗
(
j
)
を発生させ
,
特定の共振
振空洞の側面に有効電流afield, Cnlm is the form factor of the cavity, ⇢a is the local あった。いずれにせよどちらの実験の感度も有力なアクclear Physics and Astrophysics (CENPA) at the Univerdark matter density, fa is the frequency of the photonsity of Washington, Seattle. The ADMX detector con⃗ で増幅される。共振周波数は検出器内に設置
モード (E)and Q is the loaded quality factor of the cavity. The form シオンモデルに足りていなかったため, 最大限の感度をsists of several components collectively referred to as“thefactor is defined as the integral of the overlap between theinsert” shown in Fig. 2. The insert is lowered into the
された棒によって同調される。増幅された電磁場はアン
electric field of the cavity transverse magnetic mode and 得られるフロリダ大の方法が現在では主流となっていbore of a superconducting solenoid magnet, which is opthe external
magnetic
generated by the magnet [17].
, RF 信号(j⃗efield) として取り出される。
テナの電子を動かし
erated typically at just under 8 T, for data-taking op, 大きな共振空For any given mode in an empty cylindrical cavity, the る。この実験でフロリダ大のグループは
erations. The cylindrical insert (0.59 m diameter, 3 m

TM010 mode has the highest form factor and the cavity
radial dimension corresponds to approximately one-halfRFwavelength.
信号レシーバーと強磁場をロスコープは超高感度なof the photon
In practice, the geometry of
the cavity is more complicated because of the presence, すなわ組み合わせた装置である。アクシオンは強磁場of tuning rods, so simulation is necessary to understandthe form factor.
, 図 1 に示すファインマン・ダイ
ち多数の仮想光子によりFrom Eq. 5, it is clear that experimentalists have sevアグラムの素過程によって光子に変換される。その周波
eral handles which can be used to optimize the power
extracted by the receiver. Cavity volume, magnetic field
数はアクシオンの質量（とわずかな運動量）で決まる。
and quality factor can all be maximized, whereas the re-

共振空洞を置くことで, コンプトン波長が共振周波数に近ければ, 光子に変換されるアクシオンの状態密度が上がり, 変換効率が格段に向上する。この結果, 共振空洞の内壁を流れる有効電流（j⃗a , これは電子の移動による電流とは異なる）によって励起された共振モードがアンテナの電子を動かすことにより, 検出可能な交流（RF 信号）として読み出される。以上がハロスコープの概要である。現在までに多数の実験原理が提唱されているが,約 40 年前に示された Sikivie 氏のアイデアだけが, 唯一

DFSZ モデルに到達できている。

3

ADMX 実験の歴史

筆者は 2020 年に ADMX コラボレーションに参加したため, ADMX 実験のほとんどの歴史を経験していな

い。 ここでは ADMX 実験を立ち上げたコラボレータた
ちに聞いた話を元に, どのようにして現在の ADMX 実
験に至ったかを簡単にご紹介する。

3.1

初期の R&D, フロリダ大にて1980 年代前後に急速に発展した理論的理解と Sikivie
氏のハロスコープのアイデアによって, 時代は暗黒物質アクシオンの存在実証フェーズに移行した。1985 年,

height) contains theKSVZ
microwave
cavity, motion control
モデルに到達できるという確か
洞を作ることで

and quantum electronics,
a dilution refrigerator, a liquid, 次の段階へ進んだ。
な感触を得てsystem for the antenna and cavity tuning rods, cryogenic

4
He reservoir, a bucking magnet and the Sidecar cavity and electronics. The insert is designed such that thefield sensitive quantum amplifiers, switches and circulators are housed in a field free region, with a volume 0.22
設立 provided
リバモアにてm height by 0.15 m diameter,
by a bucking coil.
The cavity is inserted concentrically in the magnet bore
to maximize the form factor. The insert also involves

3.2

ADMX

,

1993 年, 前述のフロリダ大のグループに加え, 当時

MIT の助教だった Leslie Rosenberg 氏（現ワシントン大学教授）とローレンス・リバモア国立研究所の Wolfgang Stoeﬄ 氏らが加わり, ADMX (Axion Dark Matter

eXperiment) コラボレーションを設立した4 。リバモアに設けられた実験サイトには, 最大 8 T の磁場と 20 倍

大きい体積を持つ（約 200 ℓ）超伝導磁石が設置された。

この磁石は現在の ADMX 実験でも引き続き使われている。フロリダ大にて培ったハロスコープの技術全般と,MIT で開発された低ノイズ RF 受信システム, リバモアの低温技術が組み合わされ, 2001 年, ADMX コラボレー
ションとしての初めての物理結果が発表された [6]。この結果では, ついに 3 µeV 程度の KSVZ モデル, すなわ

ち暗黒物質アクシオンの有望なモデルに初めて感度を持つことに成功した。これは大きなマイルストーンである
ものの, もっとも有望であると考えられている DFSZ モ

デルまで到達するには, RF 信号のパワーに換算して約1/10 の小さな信号を検出しなければならない。

3 フォームファクター（アクシオンで誘起される電場と, 印加磁場の並行成分の割合）が大きい。
4 Galactic Axion Search Project(GASP) も候補としてあったが,略称がネガティブな意味なので棄却され, Sikivie 氏提案の ADMX に落ち着いたらしい。

3
168

3.3

量子技術の適用, ワシントン大にて

そのころ Rosenberg 氏は, 量子デバイスで著名な John
Clarke 氏の講演を聞き, ADMX 実験のアンプを DCSQUID を用いた量子アンプ（SQUID アンプ）に置き換えることを着想した。DC-SQUID は 2 つのジョセフソン

接合を持つループ状の回路であり, 磁束量子以下の極小磁場に対して非線形な応答をする。SQUID アンプでは,

アクシオン由来の RF 信号をコイルで磁場に変換し, それを DC-SQUID の非線形性を利用して RF 信号に再変換することで, 極めて低ノイズな増幅を実現する。ノイズ量は素子の物理的温度に比例し, 原理的には不確定性

関係からくる標準量子限界 (∼30 mK at 1 GHz) までの低ノイズ化が可能である。このノイズ量は従来の HFET

(Heterostructure Field Eﬀect Transistor) アンプに比べ約 1/10 であり, ちょうど DFSZ を検出可能な感度を実現できる。最大の問題は, DC-SQUID が極端に外部磁場

図 2: ワシントン大学の実験サイトにて, DFSZ 到達を祝う ADMX コラボレータたち（2017 年）。

O(0.1 µeV)–O(100 µeV）に比べてもたった 0.1%である。道のりは容易ではないが, 今後探索範囲を広げていに弱く, アクシオン光子変換用の印加磁場, O(10 T) をくたびに, 常に発見の可能性があるエキサイティングな時

なければならない点にある。ADMX 実験では, 新たな超年に探索範囲を更新している [9]。ここでは ADMX 実場を発生させることで磁場をキャンセルする方法を取っ

結果 [10] を解説する。

SQUID アンプ付近では地磁気, O(1 Gauss) 以下に抑え
伝導磁石を SQUID アンプの周りに設置し, 逆方向の磁た。 このシステムの最初の運転では, SQUID アンプが機能することを示すことにフォーカスしたため, 希釈冷代ともいえる。 ADMX 実験は 2018 年の結果の後, 2019

験が 2021 年に出版した最新の暗黒物質アクシオン探索

検出器

凍機は使わずヘリウム蒸発による 1 K 程度の温度で運4.1

ることが確認されたため [7], 希釈冷凍機の導入で DFSZ

持つ銅メッキされたステンレススチール製の共振空洞が,転された。この結果, SQUID アンプが想定通り動作す

モデルに感度を持つことを目標とした, “ADMX-Gen2”

へと進むことが決まった。実験サイトは Rosenberg 氏がワシントン大学に移るとともに, ワシントン大学の

CENPA(Center for Experimental Nuclear Physics andAstrophysics) に移設された。数年に渡るコミッショニ

ングで, 超伝導磁石のクエンチなど多数の問題を乗り越え, 最終的には想定通り 100 mK 程度へのシステムの冷却に成功し, ついに実験データの取得にこぎつけた。

2018 年, ADMX 実験は DFSZ モデルに到達したことを論文に発表した [8]。Peccei・Quinn 両氏の着想から実に41 年後のことであった。Sikivie 氏のアイデア, Tanner・
Sullivan 両氏の RF 技術, Rosernberg 氏の果てしない情

熱, そして Clarke 氏の量子技術が実った瞬間であった。

4

図 3 に ADMX 実験の概要図を示す。136 ℓ の体積を7.5 T の超伝導ソレノイド磁石（Wang NMR 社製）の中に収められており, ここでアクシオン光子変換が起こる。

共振空洞の負荷 Q 値（共振の鋭さ）は 8 万程度である。
これは信号が 8 万倍に増幅されることを意味する。共振空洞内に設置された 2 本の銅製の棒が動径方向に移動することで共振空洞の境界条件を変え, 共振周波数をスキャンできるようにしている。共振空洞にはエンドキャップ部分から可変長アンテナが挿入されており, 共振空洞とアンテナの結合（どれだけのエネルギーをアンテナで拾うか）を調整できる。運転中は臨界結合および過結合状態にしてスキャン速度を最大化している6 。銅製の棒とアンテナは室温の検出器最上部に設置されたステッパー
モーターと, 熱伝導率が低いガラス繊維 (G10) で作られた長い棒によって接続されている。共振空洞と量子アンプなどは 800 µW@ 100 mK の冷却性能を持つ希釈冷凍

ADMX 実験の現在

ADMX 実験が 2018 年に達成した DFSZ モデルへの感度は一つの大きなマイルストーンであるが, 探索したアクシオンの質量範囲は, 狭義の有望な範囲 ,55 初期位相 θ > 0.1 の preinfrationary model や postinfrationarymodel。

機 (Janis JDR-800) で 100 mK 程度に冷却されている。

超伝導磁石と HFET アンプ (LNF-LNC0.6 2A) は液体
ヘリウムによって 4 K 程度に保たれる。図 4 に ADMX

実験の簡易的な RF ダイアグラムを示す。アンテナで受信した RF 信号は, 信号損失と熱伝導性が共に極めて小6 過結合状態では Q 値は劣るが, その分広い範囲の増幅がスキャン速度に効果的に寄与する。

4

ARTICLE

scitation.org/journal/rsi
169

PHYSICAL REVIEW LETTERS 127, 261803 (2021)

Since those axion-photon couplings are expected to besmall, Oð10−17 –10−12 Þ GeV−1 , axions predicted by themodels are called “invisible” axions [27].
To date, only the Axion Dark Matter eXperiment(ADMX) [28–33] has attained a sensitivity to the DFSZ
model, which is a particularly well-motivated model
because it can be grand unified. ADMX is a haloscopeexperiment [1,27,34] searching for axions within the local
halo with a cold resonant cavity immersed in a static
magnetic field. Maxwell’s equations modified to include
the axion-photon interaction imply that an oscillating axion⃗ induces an oscillating
field (ϕ) in a static magnetic field (B)⃗ t ϕ, where gaγγ is the coupling
electric current, j⃗ a ¼ gaγγ B∂of the axion to two photons. The electric current j⃗ aoscillates with a frequency E=h, where E is the sum of
the mass (m) and kinetic energy of dark matter axions and herts into is the Planck’s constant. E=h ≈ mc2 =h because halo axions
throughare nonrelativistic. The induced currents resonantly drive
electromagnetic modes of the cavity with a resonant
frequency equal to the frequency E=h of axion field
he over- oscillations. This signal is extracted by an antenna, ampliic (TM) fied by several amplifiers, and sampled by a digitizer.
et.20 For Because the power from the axion signal is extremely small
FIG.
ADMX
rf diagram. C1 , C
C3 are circulators.
図 1.4: The
ADMX
実験の簡易的なRF
ダイアグラム[10]。
2 , andode has due to the minuscule axion-photon coupling, physical
TheC JPA
isconnected
with
a
pump
power
line
via
a
directional
FIG.
2.
Schematicof
ADMX
detector
components.
The
microwave
cavitycanbe
1 , C2 , C3 はサーキュレータを表す。JPA には方向性結
esponds temperatures, and
図with
3:
ADMX
実験の概要図[11]。 containing
electronic
fromcylindricalthe amplifiers
need the coupler.
The gray-colored rectangular boxes denote cryogenic
seen at the centertuningrods.noise
The central
structuretice, the合器（白抜き長方形）によってパンプ光が注入される。
cavitythat is inserted into the magnet bore is called “the insert.” attenuators.
The switch is connected to the cavity during datato beas andlowelectronics
as possible.
presence
Various temperature
stagesareindicatedon thecollaborationright-hand side. The
quantum taking,the bypass for the hot load is used for system noise
Previous
reports
by
the
ADMX
have
灰色の長方形は温度が高いステージからの黒体放射を遮
he form
超伝導
RF ケーブル(KEYCOM)
にて, 量子 calibrations.
さい NbTi
amplifierpackageis thermalized
to the microwave
cavity.
excluded masses over 2.7–3.3 μeV for the DFSZ model
断するための減衰器を示す。
ADMX
アンプがあるゼロ磁場領域に転送される。現在のral han- [32,33]. This Letter reports results of the search for axions
実験では
DC-SQUID を 5 つ bucking coil magnet designed to cancel the stray magnetic
3.3–4.2, より広帯域の増幅が可能な
μeV mass range.
by the in the
1%程度でありほぼ無視できる。室温では HFET アンプ
7cylindricalinsert(0.59
m
diameterand3 m ofheight)contains
ctor canThe
ADMX
experimental
apparatus
consistsa (JPA)136l
組み合わせた Josephson Parametric Ampliﬁerfield from the main superconducting magnet. Empirically,
the microwave
cavity, motion
controlsystemfor the antennad ρa ) are cylindrical
40dB 増幅し, 混合器で 10.7 MHz に変調され,copper-plated
stainlessmicrowave
cavity andweでさらにfound that for a fixed bucking coil current, variations
を使用している。
RF 信号は図4steelの JPA
Pump から入力
tuningrods,
cryogenic
andquantum
electronics,adilutiond by the in cavity
a 7.5 T superconducting
magnet. Two movable bulk
デジタイザ (Alazar digitizer) で記録される。ハードウェ
JPAに入射し, 四光波混合過程でされるパンプ光と共に
a buckingmagnet, and the Side-smaller than 0.2 A in the main magnet produced no signirefrigerator,
a liquid 4 He reservoir,copperrods inside
the cavity
tune
its
resonant
frequency.
A√
アのさらなる詳細は [11] を参考にしていただきたい。
carcavity and electronics. The
insertis designed such
that
the
JPA
の共振周波数(1/
LC)
はfield, ficant changes in the JPA performance. Additionally, the
増幅される。このときのvariabledepth
antenna
at
the
top
of
the
cavitypicks
up
rf
sensitive quantum amplifiers, switches, and circulators are housedJPA is inside a three-layer μ-metal shield to attenuate any
inside thecavity.
The
coupling
cavityis kept(6) signalsに流す
DC
電流によってインダクタンスを
inDC-SQUID
a field-free
region,witha volume
0.22 tom theheightby 0.15m diame-remaining fields. By fine-tuning the bias current and pumpin ter,a 微調整しcritically
overcoupledstatebyvaryingtheinsertion
provided,orbyabuckingcoil.
Thecavityisinserted
concentrically
目的の周波数で増幅を起こす。このときのノ power,
4.2 weSAG
システム
achieved
a power gain of 15–30 dB across theof magnet
the antenna
to maximize
maximizethe
theform
sensitivity
to axion
would be depth
in thebore tofactor. The
insert also
イズはアイドラー環境, すなわち信号周波数から数 MHz frequency range. Amplified rf signals propagate throughe Boltz- signals.
involves
a Cryomechrf PT60
pulsefortube
thatcools theistop of
A simplified
diagramthe cooler
ADMX
apparatus
実験では, 人工的に作られたアクシオン信号
4
circulators
and arefurther amplified by the second
以内の黒体放射由来のノイズに支配されており, cavity
ADMXthetwo ADMX
he inte- shown
He reservoir
theinsertto 50
Below
that, a liquid
in Fig.
1. K.Therf signals
extracted
from themaintains(Synthetic
Axion
Generator:
SAG)
を図
4 に示す
Weak
stage
amplifier,aheterostructurefield
effecttransistor
dth. The passbuckingcoil
andsecond-stageHigh
Electron
Mobility
Transistor
実験の場合は∼ 100 mKand程度である。
JPAbyは極めて磁
through two circulators
are amplified
the first
4
ackbody stageHe
refrigerators
were(HEMT)
amplifiers
near
4
K.
Two
pumpedamplifier,model
numberLNF-LNC0.6_2A[37],
placedPortから共振空洞に注入し,それを前節で説明した
RF
amplifier, a Josephson parametricamplifier (JPA), さらに3 層のミューメタル
場に影響されやすいために
ieve theused:
one is thermally tied to the motion
controlsystem and the ther-at the 4 K stage. At room temperature, these rf signals are
[35].
The
JPA achieves parametric amplification
using
the
システムで検知することで, RF システムと解析の正当, JPA のシールドで覆われている。その結果
malshields surrounding the cavity and counters
theDC-SQUID
thermal load ofamplified by a heterostructure field effect transistor ampli3
4of its
four-wave
mixingproducedbythenonlinearity
He/ He mixture 性を担保している。SAG は室温にある RF 信号発生器
movingtuning rods and the other pre-cools
the内部の磁場はを磁場センサーと考えて逆算すると, JPA
fier, mixed down to 10.7 MHz, and sampled by the
SQUIDquantum
device)used in(superconducting
the dilution refrigerator
beforeinterference
it enters the stillchamber. (Agilent 33220A) でマクスウェル分布を再現し, リモー
1/1000）程度にまで抑えられていミリガウス（地磁気のloops.
The JPArefrigerator
exhibits ultralow
noise performance,
just todigitizer. The resonant modes of the cavity and the antennaThedilution
mixingchamberis thermally anchored
Nuclear
DFSZvia
信
トコントロール可能な混合器と減衰器を通して
are monitored by a vector network analyzer
boththefirst-stage
cryogenic
electronics
andthemicrowave
cavity.
above
thequantum
limit,
byadding
noise
only
from
the
RF
信号は
JPA
で約
20
dB
増 coupling
ることが推察されている。
Washingthe号程度まで減衰させてから共振空洞に注入している。こweak port and cavity bypass rf lines. A dilution
populationof the mode at the idler frequency [36].
ponents thermal, 信号の逆流を抑制するためのサーキュレー
幅された後A.
Magnetsrefrigerator
maintained
an approximate temperature
of
The
JPA
is
operatedinaphase-preserving
mode
with
a
insert isの周波数とそのパワーは少人数のSAG 管のとき, SAG, JPA へター (QUINSTAR QCY-G0080121AS) を経て
mK
at
the
mixingchamber,enabling
temperatures
througha nearby fluxmagnet
loop 22toatbias
the7.6 T,110
6.8 and
ADMX run
operateda superconductingt, which static current
理者によってコントロールされており, 運転者と解析者の熱流入を抑制するための超伝導ケーブルで接続されrespectively,
runs 1A
andoffset
1B. Therequiresrations. SQUIDs
and fora pumptone
bymagnet
300 kHzfrom∼2000
the l ofof 150 mK at the cavity and 120 mK at the JPA andには知らされておらず, 厳格なブラインドテストが可能
アンプでさらに
40dB
程度増幅
最終的にス circulators.
た HFET
resonant
frequencyof the cavity.
Becausethe, circulators
Further details can be found in Ref. [38].
になっている。
and ズメッキ銅製の
the JPA are sensitive
to external magnetic fields, they
The power fromRF ケーブルで室温まで取り出される。
cavity[27] isare placedinamagnetic-field-free
regiongeneratedbya
HFET アンプのノイズは JPA の増幅により相対的に小さくなり, 全体の 10%, HFET 以降のシステムの寄与は

92, 124502-3

261803-2

7 カリフォルニア大学バークレー校の Siddiqi 研究室が ADMX 実

験のために製作したもの。

axion

conversion

inside

the

5
170

1

0.5
0.0

0

−0.5
−1

−1.0
−1.5

図 5: 健全な SMA コネクタ（左図）と, 実際に埋没した

SMA コネクタ（右図）の中心導体。

4.3

データ取得

2019 年秋からデータ取得を開始したが, 直後にノイズ量が想定より 10 倍以上大きいことが判明した。アクシ

オン探索のスキャン速度は, ノイズ量の二乗に反比例するため, これでは一向にスキャンが終わらない。そのため, 2019–20 年冬に検出器を常温に戻し, 総点検をおこなうことになった。様々な点検の結果, TDR 測定で検出器上部から約 3 m の部分に顕著な反射があることがわかった。RF ケーブルを外してみると, 図 5 で明らかなように SMA コネクタの中心導体が埋没していた。恐らく温度変化か過度な屈曲によるものであろう。これが信号を顕著に減衰（逆方向に反射）させており, ノイズ量が多く見積もられていたことがわかった。該当部位を信頼できる製造元の製品に交換し, 再び 2020 年 3 月には100 mK まで冷却した。

データ取得を再開しようとしたが, ここでまた問題が発生する。JPA のゲインが不安定（10 dB 以上変動）でノイズ量が想定よりも大きいのだ。様々な可能性が考えられたが, 結局のところアクシオン探索用の磁石と磁場をキャンセルするための磁石の磁場の不一致が原因であった。限度を超える外部磁場は SQUID のループ内に磁束量子として入り込み, 図 6 に示すように不安定な共鳴を生み出す。一度入り込んだ磁束量子を追い出すためには, 超伝導転移温度（アルミニウム:∼ 1.2 K）を超えて再度超伝導に戻す作業が必要となった。温度サイクル
後, 再度磁場を調整し直したところ, 比較的良好な JPAの性能を得ることができた。以後, 6 月より実験データ取得を再開し, 2021 年 5 月まで概ね安定した運転をおこ

なった。

4.4

解析

前節で解説したデータ取得では 800 から 1020 MHz（アクシオン質量に換算して 3.3–4.2 µeV）をスキャンし, 計約 20 万のパワースペクトルを得た。一つのパワースペクトルは RF 信号を 10 ms 毎にフーリエ変換した

Phase (radian)

Bias (mA)

1.0

800

1000
Frequency (MHz)

1200

800

1000
1200
Frequency (MHz)図 6: x 軸に周波数, y 軸にバイアス電流, z 軸に JPA の反射の位相を取った JPA の共鳴。左図は外部磁場によって磁束量子が入り込んだ状態, 右図は健全な状態。

100 秒間の平均から成り, 50 kHz の帯域幅（100 Hz の

分解能 × 500 ビン）を持つ。 本来黒体放射のパワース

ペクトルは極めて平坦であるはずだが, 実際に記録されるパワースペクトルは共振空洞と JPA 間の定在波や混合器によって歪められている。アクシオン信号はこの歪み（> 数 10 kHz）に比べ有意に細い（数 kHz）ため, パデ近似によって歪みのみを取り去ることができる。その後平坦になったパワースペクトルの細かい揺らぎの大きさがガウス分布（正確には自由度 2 万のカイ二乗分布）を成すことを利用し, デジタイザで記録したパワーを共振空洞内のパワーに焼き直す。この際に利用するノイズ温度は, パワーがノイズ温度に比例することを利用して in situ で測定される。ADMX 実験では “Hot Load”（図 4）をわずかに熱して得られるパワーの変化を利用する y-factor 測定と, JPA のパンプ光の on または oﬀ 状
態での S/N 比の変化を利用する SNRI 測定を組み合わせて測定し, 約 600 mK という結果を得た。この値は各種温度センサーから予想される理想的なノイズ温度より数百 mK 大きいため, 余計なノイズが入り込んでいる可能性を示唆する。これらの原因の考察は第五章に譲る。
この後すべてのパワースペクトルは誤差で重み付けしてから足し合わされ, 一つの大きなスペクトルとして再構成され, アクシオン信号があるかテストされる。

以上の解析の結果, 15 個の有意なパワー超過が観測された。今回の周波数帯は FM ラジオや Wi-Fi の周波数に近く, この周波数帯でもっとも高感度な ADMX 実験でそのような人工的信号が検出されることは想定内である。アクシオンと区別するために, まず実験サイトにあるスペクトラムアナライザに簡易的なアンテナ（RFケーブルの中心導体をむき出しにしたもの）をつけて同じ周波数の超過を見つける事ができるかテストした。磁
場がなく感度に劣るこのテストで超過が見つかれば, それはアクシオンではない。このテストは単純であるが強力で, 7 個の超過が棄却された。また, ADMX 実験では共振周波数を少しずつずらしてパワースペクトルを取得しているが, 共振空洞内にある信号であれば, その超過

6
171

PHYSICALPHYSICAL REVIEWREVIEW LETTERSLETTERS 127,
127, 261803 (2021)


 
V
B 2 C
Paxion ¼ 7.7 × 10
W
0.4
136l 7.5 T





gγ 2
f
QL
ρa
:
×
0.36
0.45 GeV=cc 1 GHz 80 000
−23

ð1Þ

Here, V is the volume of the cavity, B is the magnitude of
the magnetic field, C is the form factor representing theoverlap between the cavity resonant mode and the magnetic
field, gγ is the model-dependent numerical constant −0.97(0.36) for the KSVZ (DFSZ) model which determines,
along with the axion decay constant fa , the axion coupling
to two photons gaγγ ¼ αgγ =πf a , ρa is the expected dark
matter density in the cavity, f is the frequency of the photon
induced by the axion field, and QL is the loaded quality
factor of the cavity.
The signal-to-noise ratio (SNR) is used as a metric of thesensitivity of the experiment [39]:
PaxionSNR ¼
kB T sys =ϵrffiffiffi
t
;
b

ð2Þ

where
Boltzmann
T sys foris TM
the system
B is theFIG.
3. kElectric
field
distributionconstant,
as a heat map
010 (left)
図
7:
TM
モードと
TM
モードの電場分布（赤矢
010
011
noise
temperature,which
isdefinedasthesumof theand TM011 (right) modes simulated with COMSOL Multiphysics
physical
andelectronicnoise
temperatures,ϵisthetrans[10]。超伝導磁石によって印加される磁場は
印）の比較
[42].
Electric field
for the mode and impressed magnetic fieldaremissionefficiency
betweenthecavity
and
the
JPA,
t
isform
the
shown
as
red
and
black
arrows,respectively.
Calculated
黒矢印で表される。
factors
with CST
Magnetic
are 0.455 and< 0.001
integration
time,
and Fieldb is Solver
the detection
bandwidth
TM0116 ,modes,
respectively.
Theenergy
overlapspread
betweenfor
TMf=Q
the expectedsignalofb¼
010 anda ∼ f=10
electricfieldandmatterthe magnetic
field isoflarge
and
the
TM
の大きさはローレンツ分布を成すはずである。残ったう
010
nonrelativistic
axion
dark
with a velocity∼10−3c.
consistentacross the volume, while the overlap between
the(SNRI), キャビティ
ち 7T個の超過はパワーがまったく変化せず
sys is measured with the SNR improvement
TM011 electric field is of opposite sign in the top and bottom of
method.
The
SNRI is given by
RF システムのどこかで入り込んだ信号と判断され外のthecavity,leading to cancellations in the cavity response to thespatially
uniformdarkmatteraxion field.
896.5
MHz
付近の一つの超過である。アクた。残るはTABLE I. A list of candidates remaining after turning off
calibration SAGs. The 896.448 MHz candidate was a blinded
SAG. “Persistence” is checked when the candidate exists in all
the scans with similar powers. “At same frequency” is checked
when the candidate was at the given frequency 300 Hz. “Not inair” is flagged if the candidate could not be observed with aspectrum analyzer attached to an external antenna at the experimental site. “Enhanced on resonance” is flagged when the
integral of the signal power was scaled as a Lorentzian function.
“×” denotes tested but not passed.
Frequency[MHz]At same
Persistence frequency

Not inair

Enhanced onresonance

839.669✓✗✓✗
840.268✓✓✓✗
860.000✓✓✗✗
891.070✓✓✓✗896.448✓✓✓✓974.989✗✓✓✗974.999✗✓✓✗960.000✓✓✗✗
980.000
✓
✓
✗
✗
FIG.
2.
Digitization
spectraincludingablindedSAG
for990.000✓✓✗✗ TM010
図 8: 中央図：SAG 信号のパワースペクトルを共振空(black) and TM011✗(red) mode ✓after removing
990.031✓ the receiver✗ shape
TMstanding, ✓赤）とTM
モード（下部洞の011 モード（上部and JPAwave distortion.
The bottom
plot
1000.000✓✗ 010small✗ shows,
combined SNR with
DFSZ
power.
plot
1000.013✗ respect to ✓✓ The right small✗黒）で取得したもの。下図：
DFSZ
信号の大きさに対す
shows the integrated
to1010.000✓ signal power✓ and how✗it varies according✗（信号と背景事象のパワーの比）を示したもの。
る
the SNR
Lorentziancavity1020.000✓ enhancement.
✓✗✗
右図：各パワースペクトルの最大パワーをプロットした

to 信号を
ϵ sinceintersectionof aのパワーが若干大きいのはlinear fit. We assume ϵh is equal
TM011
, SAG
もの。
by losses in theAfter
circulators.
Duringtheϵh is dominatedlimitsin
specific
circumstances.
the
first
rescan,the
4の
WeakPort がつながってい
注入するアンテナ（図data-taking SAGs
period,were
T off =ϵwas
measured
the y-factor
calibration
turnedoff
and thebysecond
rescanTM010 モードに比べTMstableる部分）の結合がmethodevery few
months.
The resultsover
011 モード
wasperformed
to ,confirm
whether
the werecandidates
were
time
around3.5
K,thoughtheyvariedwithfrequencyby。
に対して若干よいためと考えられる
SAGs
or true signals. If all SAGs were [10]identified
and there
0.2
K
over
the
frequency
range.
From
theabove,
thetypicalwas no candidate left, then the data-taking moved on to the
T sys =ϵwhen However,the JPA isifon
wasstill
calculated
to onebe 600mK.
Gon Poffnext
nibble.
there
remainedor moreoff
on
SNRI ¼ T sys =T sys ¼;
ð3Þ
TMhere, 中央図の上部（赤）がペクトル（黒）は010 モードThe
datadescribed
wereacquired
between
October
シオンの可能性があるため慎重に性質を精査しなければGoff Pon is primarily
candidates, more rigorous tests were performed as
The shape of the detected backgroundTM
モードで取得されたパワースペクトルである。ど2019011andMay 2021. We aimed to probe axions with one
described
below.
ならない（解析のもっとも面白い瞬間である）。個別の
determined by two factors: the shape generated by the
(two)
times
DFSZ coupling between 950 and 1020, (800where GonðoffÞ and PonðoffÞ are the total gain of the rf chain
これ
ちらも顕著な細いピークが確認できる。したがって
room
temperature receiver and the JPA standing wave due
ラインシェイプはどれも標準ハローモデルで予言されるand 950) MHz. Throughout the operation, synthetic axion
measured by the vector network analyzer and the power
and
C
.
The
to
the
imperfect
isolationofcirculators,
C,
SAG
はアクシオンではないと結論付けられた。その後
2, 周波数も非常に安定している。
マクスウェル分布を成し
generated signals (SAGs), which are created using lower
spectral density of the rf chain
measured by 1the digitizer
forformer is time independent and was removed by a reference
管理者からそれがブラインドテストのために注入された
power rf tones, were injected into the cavity via its weak
the JPA in the on (off) state, respectively.
As an overQ
値もネットワー
超過のピークが成すローレンツ分布のshape measured at the beginning of data taking. The latter
port to信号であることが明かされた。アクシオンではな
ensure the robustness of the experiment. Two types
coupled resonator, the JPA acts as a lossless mirror for the
SAG
Qof
値と矛盾なく, 共振空洞内か
クアナライザで得られた
varieswhen the bias current
the JPA is changed
and wasof
SAGs
were injected: calibration
SAGs, which weresignal when the JPA is off. The SNRI was typically 7.5 dB.
, 検出器の運転と解析の正当いのは大変残念ではあるがremovedby a six-order Padé-approximant performed
for
off
ADMX
実
らの信号であることは確かであった。従来のintendedtoverifytheintegrityofthereceiver chain andT sys is measured by the y-factor method [40] utilizing aeachspectrum. The flattened spectra were scaled by the[12]
性を再確認できた。解析の詳細はanalysisframework,andblindedSAGs
toを参照していたpractice the full
, 信号が予験の解析手順であれば磁場を段階的に落とし
noise sourceat the the500correct
mK stage(labeled
thewere“hot=ϵ to obtainpower
scaleasand
estimated
T sysplaced
だきたい。
candidateevaluation
procedure.
2load”).(∝
The
load temperature, T hot , can be varied
B hot) 消えるかどうかテストするところであっ想通り
convolved
withthe expected axion shape
to improve the
The explored frequency range was divided into 14
between 0.5–4 K. During a y-factor measurement, thesensitivity
to axions. The spectra were coadded into a
たが, このテストには時間がかかる。その前の追加のテ“nibbles,” narrow frequency ranges, typically 10 MHz in
input of the cold receiver is connected to the hot load
“grandspectrum” to make use
allrecorded spectra.
TMof
モードでの観測が追ストとして
width. The
specific procedure repeated for each nibble is as
011so
by flipping, a今回の論文ではswitch in the receiverthat thermal photon
4.5
結果
Typically, Oð10Þ candidates are found within a nibble
follows.
First,
digitizations for the entire nibble frequency
from
the
hot
load
is
detected.
There
is
a
linearrelation加された。図 7 にアクシオン探索に用いる TM010 モー
becausestatisticalfluctuations
andwhencalibration
range
were
performed
by moving both tuning rods symand the digitized
power
the JPASAGs.
is off:betweenofT hot
以上の解析の結果, すべての超過はアクシオンではな, 今回のテストに使ったTMモードの電場分布をドとcriteria
011describedThe
to select candidates
arein Ref. [41].
metrically. The integration time was 100 seconds. The
アクシオン光子結合に対して上限
いと判断されたため
Accordingly,
thePcandidates
further, a rescan,示す。どちらの電場も磁場に並行であるため局所的なア
spectralwas upper
50,kHzfor eachscan,
the data
FIG.
4. width
90% C.L.
limitson gaγγ
as aandfunctionof wereaxion
ðT hot scannedϵh þ T off
ð4Þ¼ Goff bkBweresys Þ:
tocheck
whethertheyarepersistent.
The
rescan
data
are
8
9
）
。
800
から
1020
MHz
の
KSVZ
モデル
を設けた（図mass.
The
gray-,
blue-,
andyellow-colored
areas
represent
averaged
with
100
Hz
bin
resolution.
Next,
ananalysiswas
クシオン光子変換効率はよいが , TM011 モードの場合
later
includedin
thetransmission
analysis, anda MonteCarlo thestudy
previous
ADMX
limitsreportedin
Refs.
[28,32,33].
The
redperformed
to
check
for
axionlike
excesses(candidates)
is
the
total
efficiency
betweenhot
Here,ϵを棄却, 950 から 980 MHz の DFSZ モデルを棄却した。
h, アクシオは位相が共振空洞の上下で反転しているため
indicates
may
inducelessy
coloredareanoise.
shows the limits of this work. We ruled out KSVZ
above thefromofthe
load andthat
the this
JPA.procedure
Hence, onecanobtaina small
T off =ϵbias
2019 年の結果と比べると約二倍に今回の結果はン場によって誘起された電流は常にキャンセルされる。
(DFSZ)
axions in2018,the 3.3–4.2ð3.9–4.1Þ
μeV mass range.
than
3% on the resulting extracted axion-photon coupling
,
900
MHz
以上では以前の世界
探索範囲を拡大しておりしたがって, TM011 でも超過があれば, それはアクシオ
261803-3
最高感度の制限である CAST 実験の結果 [13] から約 5ンではないといえる。 図 8 に実際のパワースペクトル261803-4桁（パワーにして 10 桁）の改善を達成している。
（パデ近似後）を示す。中央図の下部の複数のパワース
8 ア ク シ オ ン と 光 子 の 相 互 作 用 ラ グ ラ ン ジ ア ン は,g
⃗ · Ba⃗ 。
Fµν F̃ µν a = gaγγ E
− aγγ
4

L

=

nse to theprimarilyby thewave dueC2 . The
eference
he latter
and wasmed ford by theand wererove thed into aspectra.
a nibblen SAGs.
ef. [41].
a rescan,data arelo study
as of lesscoupling

SAGs or true signals. If all SAGs were identified and there
was no candidate left, then the data-taking moved on to thenext nibble. However, if there still remained one or morecandidates, more rigorous tests were performed as
172
described
below.

FIG.
90% C.L. upper limits
on gまたはアクシオン質量aγγ as a function of axion
図 9:4. 横軸を光子周波数(MHz)mass. The gray-, blue-, and yellow-colored areas represent(µeV) にとった
アクシオン光子結合に対するprevious
ADMX ,limits
reported in Refs. [28,32,33].90%
The信頼redcolored
area
shows
the
limits
of
this
work.
We
ruled
out
KSVZ
区間の上限 [10]。左から ADMX 実験の 2018 の結果（水(DFSZ) axions in the 3.3–4.2ð3.9–4.1Þ μeV mass range.
色, ∼650–680 MHz）, 2019 年の結果（オレンジ, ∼680–

800 MHz）, 2021 年の最新結果（赤, ∼800–1020 MHz）。
261803-4
濃い色はアクシオンの速度分布に標準ハローモデルを採用し, 暗黒物質を 0.45 GeV/cc と仮定した場合, 薄い色

は N 体シミュレーションで求めたアクシオンの速度分

布と密度（0.60 GeV/cc）を採用した場合。

ADMX 実験の未来

5
5.1

直近の計画

4 章で述べたように, ノイズ温度が予想より高かった(600 mK) ため, 最新の結果では大部分で DFSZ モデルを探索できなかった。ノイズ温度には RF システム全体が影響するため無数の可能性, JPA の雑音, 数百点に上7

図 10: 2021 年夏から秋にかけておこなわれたメンテナ

ンスの様子。銀色の円筒は液体ヘリウムのリザーバータ
ンク（中に JPA などの量子アンプが収められている）,

中間に RF システムや希釈冷凍機, 下部の銅色の円柱が共振空洞である。左が ADMX コラボレーション共同代
表の Gianpaolo Carosi 氏, 右が筆者。

5.2

長期計画（∼10 年）

図 11 に現在の各種実験のアクシオン光子結合に対する上限と, ADMX 実験の今後の計画を示す。ADMX 実

験では ADMX Gen2 プログラムとして, 米国の DOE から助成を受けており, 約 8 µeV まで数年のタイムスケー
ルで探索を遂行する予定である。約 6 µeV までは現在の共振空洞に外径を大きくした金属棒を用いることで対応できるが, 約 6–8 µeV では外径の小さな共振空洞を 4つ用いることで, 有効体積を維持しつつ高い共振周波数

る RF 測定系のいずれかのパーツの伝達効率が悪い, 温を実現する計画である。すでにフルスケールの共振空洞

ることは極めて難しい。そのため 2021 年夏に検出器をルミ国立研究所でテストされている。測定された Q 値

JPA と サーキュレーターは些細な磁化で性能が落ちる

同調にはステッパーモーターではなく, ピエゾモーター

度センサーの誤測定など, 極低温下でどの寄与か特定す

常温に戻し, 可能性のある部分を総点検することにした。
可能性があるため, 周りを取り囲むミューメタルシール

がローレンス・リバモア国立研究所にて作成され, フェは現在の ADMX 実験のものと遜色ない。共振周波数のを使用することで, 共振空洞の多頭化に伴うスペースのドとともに予備のものと交換した。RF ケーブルは総点減少に対応している。4 つの共振空洞から得られる信号

窒素に複数回浸して熱的収縮に耐えうるかなどをテスト

測定系の基本構造は概ね現在と同じである。

インの 100 mK ステージにある減衰器は, 今まで他のtended Frequency) と呼ばれ, 実験サイトを抜本的に刷

100 mK に冷却されていることを担保するため, 新たに揮する実験用 MRI 磁石に置き換えられ, 有効体積は約に, 希釈冷凍機の混合室の近くに設置した。またデータ倍に増強される。最新結果の運転でも苦労しているよう

検し, 目視やネットワークアナライザによる確認, 液体

した。JPA のアイドラー環境を司る Cavity Bypass ラ
減衰器とまとめて 100 mK に冷却されていた。確実にOFHC 銅で誂えた専用の放熱板を温度センサーととも取得のための冷却直前には, 複数人によるすべてのコネ

クタ・ネジ類のより厳しい品質管理が課された。図 10は電力合成器によってアナログに合成され, 以後の RF
さらに 8–16 µeV の実験計画は, ADMX-EFR (Ex-新する。イメージ図を図 12 に示す。磁石は 9.4 T を発

2 倍, 磁場は 20%増, 結果得られるスキャン速度は約 4.8に, JPA などの量子 RF デバイスは磁場に弱く, 繊細な運転が必要である。この問題を解決するために, 繊細なにメンテナンスの様子を示す。冷却後は同じ周波数帯のRF デバイスを MRI 磁石から 5 m 程度物理的に離し, 磁デルの探索を達成する予定である。

を動作させる計画である。希釈冷凍機を 2 台用意する必

データを再取得し, 2022 年以内に全領域での DFSZ モ

場キャンセル用の磁石を用意することなく量子デバイス

8
173
1

足しており, 絶縁体ディスクを用いる Orpheus [14], ホーン形の金属板を使って広帯域検出を狙う BREAD [15],ADMX Gen1

ADMX Gen2
Run1

Run2

プラズマで大型化を狙う Alpha [16], レーザー干渉計でsub-µeV 領域を狙う DANCE [17] など, 魅力的な実験

EFR(Extended
Frequency
Range)を挙げればきりがない。さらに言えば, 近年の量子コン

ピュータの関連技術の発展と物理実験への応用に関する
潮流は, アクシオン探索に革命を起こす可能性を秘めている。ぜひとも今後のアクシオン探索の発展と結果を楽しみにしていただければと思う。

謝辞

図 11: 横軸を光子周波数 (MHz) にとった, 様々な実験

丁寧に ADMX 実験の歴史を解説してくださった Davidのアクシオン光子結合に対する 90%信頼区間の上限。

ADMX 実験の実験フェーズをそれぞれ塗りつぶしている。

Fridge for

9.4T MRI Magnet (UIUC)Electronics
25 mK, 0.01 Gauss
Fridge for

Resonators→

18-cavity
100 mK

Photon Transportation
18 (36) JPAs(squeezed)~5 m (<0.1 dB loss)

図 12: ADMX-EFR の概念図。最大磁場 9.4 T の MRI

磁石の中にある 18 本の共振空洞内でアクシオンから変換された光子信号は, 残存磁場が 0.01 Gauss 以下の約5 m 離れた初段アンプ (JPA) に送られる。信号は独立

2

Tanner 氏, 本稿執筆に有用な助言を与えてくださった

Gray Rybka 氏に心から感謝いたします。筆者は日本学術振興会海外特別研究員 (202060305) として派遣されています。また ADMX 実験は DOE などの助成を受けて実現しています。

参考文献[1] C. Abel et al., PRL, 124, 081803 (2020).
[2] P. Sikivie, RMP, 93, 015004 (2021).
[3] P. Sikivie, PRL, 51, 1415–1417 (1983).
[4] C. Hagmann et al., PRD, 42, 1297–1300 (1990).

に増幅されるために, 光子転送回路と JPA は共に 18 個

[5] W. U. Wuensch et al.,

要があるが, この副産物的な恩恵として, 大きな熱容量[6] S. Asztalos et al., PRD, 64, 092003 (2001).

ある。

をもつ共振空洞と冷却システムが独立になるために, 量子デバイスの温度は現在の 25%程度になり, ノイズ温度の低減も達成できる計画である。共振空洞はさらなる高周波数を実現させるために 18 まで多頭化する予定であり, すべての信号は独立に転送, 増幅, デジタル化され,より損失が低く理想的なデジタル信号合成を採用する予
定である。

6

まとめ

四半世紀を超す R&D を経て, ADMX 実験が DFSZ モ

デルへの感度を達成したことにより, 暗黒物質アクシオ

ン探索は真に発見フェーズへと移行した。アクシオン探索をするわれわれの世代は, この積み上げられてきた知識と経験を活かして, 探索範囲を広げることが一つの使命である。世界を見るとアクシオン探索実験は近年多数発

PRD, 40, 3153–3167(1989).

[7] S. J. Asztalos et al., PRL, 104, 041301 (2010).
[8] N. Du et al., PRL, 120, 151301 (2018).
[9] T. Braine et al., PRL, 124, 101303 (2020).
[10] C. Bartram et al., PRL, 127, 261803 (2021).
[11] R. Khatiwada et al., RSI, 92, 124502 (2021).
[12] C. Bartram et al., PRD, 103, 032002 (2021).
[13] V. Anastassopoulos et al., Nature, 13, 584-590(2017).
[14] C. Cervantes, arXiv:2112.04542 (2021).
[15] J. Liu et al., arXiv:2111.12103 (2021).
[16] M. Lawson et al., PRL, 123, 141802 (2019).
[17] K. Nagano et al., PRL, 123, 111301 (2019).