ダークマターの懇談会2019(早稲田大学)

2019年7月6日

レーザー干渉計によるアクシオン暗黒物質の探索
道村唯太
東京大学 大学院理学系研究科 物理学専攻

大島由佳、渡邊泰平、長野晃士、川﨑拓也、安東正樹、小幡一平、藤田智弘

概要• 光リング共振器を用いてアクシオン暗黒物質を探査する新手法を提案
I. Obata, T. Fujita, YM, PRL 121, 161301 (2018)• 円偏光の光速差を測定する• アクシオン質量で既存の上限値を数桁超える探査が可能• プロトタイプ実験が進行中• レーザー干渉計型重力波検出器でも探査可能
K. Nagano+,arXiv:1903.02017
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アクシオン-光子相互作用
Light Shining through Wall (ALPSなど)

Helioscopes(CASTなど)
X線、ガンマ線天体観測

Haloscopes (ADMXなど)
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円偏光の速度差に着目• アクシオン-光子相互作用()により左円偏光と右円偏光に速度差が生じる

coupling constantaxion fieldaxion mass• 円偏光の速度差を光共振器の共振周波数差として測定• 振動源となりうる強磁場を用いずに探査することが可能

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我々のアイディア• ボウタイ共振器を用いる
線形共振器では光速の差の影響がキャンセル
左円偏光
Laser
右円偏光

ボウタイ共振器なら大丈夫
左円偏光• ダブルパス構成を用いる
透過光を打ち返すことで同じ共振器を逆回りに使って円偏光の間の共振周波数差をヌル測定
Y. Michimura+, PRL 110, 200401 (2013)5

ボウタイ共振器とダブルパス構成• 左円偏光を共振器に入射
光検出器
CW光
左円偏光

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ボウタイ共振器とダブルパス構成• レーザーの周波数を左円偏光の共振周波数(に制御
周波数制御)

光検出器
CW光
左円偏光

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ボウタイ共振器とダブルパス構成• 透過光を打ち返す(右円偏光を逆回りに入射)
周波数制御
光検出器
CW光
左円偏光

ダブルパス構成

右円偏光
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ボウタイ共振器とダブルパス構成• 共振器の反射光からアクシオン信号が取り出せる(null測定)
周波数制御
光検出器
CW光
左円偏光

• 同じ共振器を使っているので共振器長変動に対し、高い同相雑音除去
ダブルパス構成

右円偏光

アクシオン信号9この構成の感度• DANCE

Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment• 共振器長変動(変位雑音)は同相雑音除去により原理的には雑音にならない• 光検出器の散射雑音で決まる

input laser power
cavity length

axion massfinesse• アクシオンの密度 = 暗黒物質の密度 と仮定すれば10感度が計算できる未探査領域を探査可能
Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment

CASTDANCE
周回長 10 m
フィネス 106光強度 100 W※散射雑音
1年間の観測アクシオンが暗黒物質として支配的であることを仮定
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プロトタイプ実験でもCAST超え
Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment

CAST
DANCE Act 1
周回長 1 mフィネス 3×103※散射雑音
光強度 1 W

1年間の観測アクシオンが暗黒物質として支配的であることを仮定
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DANCE Act 1の構成
周波数制御
Laser

FI

EOM collimator

1064 nmoptical fiber
QWP

周回長 1 mフィネス 3×103
光強度 1 W

collimator

アクシオン信号13

DANCE Act 1の実施状況• 光学系の組み立て完了• 光共振器の性能評価- フィネス (1.9±0.5)×103 (設計値3×103)• 2019年秋までに最初のデータ

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DANCE Act 1の実施状況• 光学系の組み立て完了• 光共振器の性能評価- フィネス (1.9±0.5)×103 (設計値3×103)• 2019年秋までに最初のデータ

コリメータ

光検出器
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線形光共振器でもできる• 円偏光間の速度差は直線偏光の回転を生むの周波数で偏光が回転p偏光
H. Liu+, arXiv:1809.01656• 直線偏光の振動周期と光共振器の往復時間が一致すると高い感度を持つ行きは左円偏光が右円偏光よりも速い
帰りは右円偏光が左円偏光よりも速い

16重力波検出器の光共振器でできる• 長共振器長、高光強度が有利• 重力波信号と区別可能
重力波信号はp偏光に出る• KAGRAへの導入
を検討中
p偏光

Laser

FI

p偏光 s偏光(重力波信号) (アクシオン信号)

K. Nagano+,arXiv: 1903.02017
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まとめ• 光リング共振器を用いてアクシオン暗黒物質を探査する新手法を提案
I. Obata, T. Fujita, YM, PRL 121, 161301 (2018)• 円偏光の光速差を測定する
ボウタイ共振器とダブルパス構成• アクシオン質量で既存の上限値を数桁超える探査が可能• プロトタイプ実験DANCE Act 1が進行中
CASTの上限値を数倍超える探査2019年中に最初の探査開始予定• レーザー干渉計型重力波検出器でも探査可能
K. Nagano, T. Fujita, YM, I. Obata, arXiv: 1903.02017
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補助スライド19入射光学系

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全体

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Bounds on Axion-Photon Coupling• Extracted some interesting experiments

Solid:
achieved
Dashed:proposals

NOTE that22

Interferometric Searches• Light speed difference between two circular polarizations
Can be derived fromMaxwell-Axion equations• If local ALP density = local DM density,local DMdensity(0.3 GeV/cm3)• Can be measured with laserinterferometers and cavities• Can be measured without magnets!

phase which changes
with time scalede Broglie wavelength• Also assumes ALP = dark matteraxion velocity(assume dark matter
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velocity 10-3)

Coherent Time Scale• SNR grows with √Tobs if integration time is shorter thancoherent time scale• SNR grows with (Tobs)1/4 if integration time is longer

de Broglie wavelength (coherent within this region)

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DeRocco + Hook (2018)PRD 98, 035021 (2018)• Linear cavity with quarter wave plates inside
mirror reflection flips left-handed to right-handed• 40 m, finesse 106, intra cavity power 1 MW, 30 days
integration
radiation pressure torquenoise at low freq.

25Obata + Fujita + Michimura (2018)• DARC: Dark matter Axion searchwith a Ring Cavity (tentative)• Bow-tie configuration to keeppolarization modes• Double-pass for common mode rejection

PRL 121, 161301 (2018)

Nature Photonics 12, 719 (2018) 26

Obata + Fujita + Michimura (2018)• 10 m, finesse 106,100 W input,
1 year integration- this means 30 MW
intra cavity powerTobs > τcavity pole

• Note that mirror complex
reflectivity difference
between p and spolarizations fromnonzero incident angle
was not considered(incident angle tuningnecessary)27

ADBC by MIT Group (2018)arXiv:1809.01656• Axion Detection with Birefringent Cavities• Use linear polarization and detectsidebands of other polarization• Tune incident angle for resonant detection at high freqs.
• 40 m, finesse 2e5 for → (3e3 for ↑),intra cavity power 1 MW,30 days integration in total

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Sensitivity Design• Brute force necessary, you cannot win for freeaxion-photon coupling

NOTE that δc ∝ λlaser and shot noise ∝√ λlaser

make P x1/100
or λlaser x1/100∝FL∝1/√P, 1/√λlaser
ma5/4

make FL x1/10

x10x10

ADBC
resonanttechniquema1/4∝1/Tobs∝1/(FL)axion mass29