実験室でのアクシオン・パラフォトン探索
東京⼤学 ICEPP 難波俊雄

3つのALP探索実験のご紹介
ダークマターの懇談会20190今⽇の話に関係する⼈たち
東⼤理、ICEPP
東⼤理、
東⼤⼯ (APSA)
理研、JASRI(SPring-8、SACLA)
東⼤物性研、
東北⼤⾦研

浅井祥仁、⼭崎⾼幸、稲⽥聡明、⼭道智博、樊星、上岡修星
吉岡孝⾼、⼤間知潤⼦、五神真レーザーの専⾨家
⽟作賢治、⽥中義⼈(兵庫県⽴⼤)、澤⽥桂、⽝伏雄⼀、⽮橋牧名、
⽯川哲也 X線の専⾨家
松尾晶、⾦道浩⼀、野尻浩之
磁⽯の専⾨家1われわれの実験の位置づけ• 未発⾒素粒⼦探し• できるだけ仮定を置かないで不定性の無い探索をしたい (例えば、暗⿊物質の全てが未発⾒素粒⼦でできているとか…)• 実験室において、⾃分たちで作って探す2

アクシオン(的なもの)
gAxion Like Particle (ALP)      g
• もともとは、「強いCP問題」解決のために導⼊  • q 真空の作るCPの破れがPQ 対称性の⾃発的破れにより⾃動的にキャンセル→ New NG boson, axion• より⼀般的に, Axion Like Particles (ALP)は弦理論やSUSY/SUGRAから出てくる (QCD axionと異なり、質量と結合定数の関係が不定)• ALP は⼆つの光⼦と結合 (プリマコフ過程)%&''ℒ"## =− ( 𝐹*+ 𝐹, *+ 𝑎 = 𝑔"## 𝐸 1 𝐵𝑎
(電磁場のもとでALPは光⼦に変換)• パラメータ領域によっては、CDMの良い候補3

探し⽅ I:
Light Shining through a Wall (LSW)• 強⼒光源からの光を2度変換して壁越しに⾒るWallPhoton
Light sourceNNPhoton

ALPSSDetector• 変換効率は電磁場の強さと⻑さの2乗
2! gαγγ BL sin θ $mα2l
P =#& ,θ =
θ %4ω
" 2• 今、世界で⼀番でかいやつ: ALPS 実験 (DESY)• HERA dipole (5T、8.8m)、~1W レーザー×共振器~1000倍• 将来的にALPSIIへ
光源と変換⽤の場の選択が重要

4

われわれの使う光源• エネルギーの⾼いX線を利⽤=⽐較的重いALPが探せる• 放射光施設 SPring-8 BL19LXU ビームライン• 27m⻑のアンジュレーター
• ~10keV 付近のX線で世界最強強度 ~1014photons/s
SPring-8

Undulator @BL19LXU

5

われわれの使う光源• エネルギーの⾼いX線を利⽤=⽐較的重いALPが探せる• 放射光施設 SPring-8 BL19LXU ビームライン• 27m⻑のアンジュレーター
• ~10keV 付近のX線で世界最強強度 ~1014photons/sSPring-8

Undulator @BL19LXU

6光⼦⇔ALP変換に使う電磁場 I• ⾃作パルス磁⽯を並べる• 磁場⻑20cm、~10mW、40µHの銅線コイルを液体窒素冷却• 3mFのコンデンサに最⼤4.5kVまで充電し、パルス励磁時は~1msにわたって最⼤14Tの磁場
Coil
B field

20cm

X-ray path7

パルス磁⽯でのALP探し@BL19LXU
Conversion coils

Re-conversion coils• 2015年11⽉• 4つのコイルを直列に並べて使⽤• 2個: X-ray → ALP変換• 2個: ALP → X-ray再変換• 9.5 keV のX線を使⽤• Net 2 days operation(total 28,000 excitations)• 磁場8.5T/-6T

𝛾→𝑎𝑎→𝛾Lead shield

8

探索結果
ALPS-2gaγ γ [GeV-1]

10CASTADMXnm
A x ioodels

ESRF (2010)
10-3
SPring-8 (2015)

10-4

10-2

2.51×10-4 GeV-1
10-1

1ma [eV]• ALPシグナルは⾒つからなかったが、gagg <2.51×10-4 GeV-1 (95%C.L.) の制限(for ma<~0.1eV)• PRL 118(2017)071803

9onversion probability can be represented as follows,!
"21Pa→γ =gaγγ ET Leﬀ cosθB ,2! 10!
""
11• 結晶中の周期電場 (10 V/m~10L V/m) を利⽤
Leﬀ = 2Latt 1 − exp −,232L(10 ~10 Tに相当).
att

光⼦⇔ALP変換に使う電磁場 II

(5)
(6)

where E•T ⼊射⾓をうまく調整することで、重いALPを探is an eﬀective electric field, Leﬀ is an eﬀective conversion length, θBs the Bragg angle, L is an X-ray path length within the crystal, and Latt is an
索することが可能
X-ray attenuation length. The eﬀective conversion length is shorter than L since
he crystal absorbs X rays. The Bragg-case conversion, in which lattice planes
re parallel to the crystal surfaces, has been utilized by solar axion searches [18–1]. It is recently shown
in Ref. [41] that Leﬀ fortheB+Dq
Laue-caseconversion, inqTg=q
X線回折
光子・ALP変換
結晶面
which latticeplanes are perpendicular to the crystal surfaces, is longer than~Δθ of silicon crystals
hat of the Bragg-caseone. The eﬀective conversion lengths
XrayALP
λ the sensitivity to gλaγγ
re∼ 10−3 dm,and(∝ ET Leﬀ ) is the same orderas that~Δθγ
光子間隔hkl γ
λa>λγ
f X-ray LSW experiments
usingexternal
magnetic
fields[35,36].
θB
θB
θB
θB
The resonant ALPs’ mass of the Laue-case conversion can be represented asollows [40, 41],
Atom(electron)Atom(E-field)#$%# 4kq# 2#< γ qT=2p/dhkl: 逆格⼦間隔Tγ,(7)#ma − m2γ − 2qT kγ sinθT −#∼2L

10 is
⼊射⾓依存項
where mγ = O(10) eV is the plasma
frequency of the crystal, qT = O(10) keV

ラウエ回折を利⽤した⼿法について
計算

X rays or ALPs with an energy• T. Yamaji et coherentlyal., Phys.convert
Rev. Dinjected
96(2017)115001
BE

θB+Δθ

conversion probability can be represented as follows,
CrystalALP!
"21ET
Pa→γ =gaγγ ET Leﬀ cosθB ,2!
!
""LLeﬀ = 2Latt 1 − exp −,2Lattθ -Δθ
Bwhere ET is an eﬀective electric field, Leﬀ is an eﬀective co~theLa Bragg angle, L is an X-ray path length within the cryisLtt
X-ray attenuation
length. The eﬀective conversion length is s
X ray
the crystal absorbs X rays. The Bragg-case conversion, in w
are parallel to the crystal surfaces, has been utilized by solar
シリコン結晶600µm厚, 17keV X線だと21].
It is recently shown in Ref. [41] that Leﬀ for the Laue
10
• ET=4.1x10which
V/mlattice planes are perpendicular to the crystal surfa• Leff=488µm
that of the Bragg-case one. The eﬀective conversion length
are ∼ 10−3 m, and the sensitivity to gaγγ (∝ ET Leﬀ ) is the• ma〜10keV程度までは変換可能
of X-ray LSW experiments using external magnetic11fields [3具体的には、• シリコン単結晶(2,2,0)から切り出した2枚の刃を利⽤• Dqで全体を回して、共鳴するALPをスキャン
Si(220)結晶

B

θB+Δθ
偏光(E)

検出器

X線 (17 keV)

信号X線(17 keV)

結晶全体を回してスキャン
Δθ=maALP600 μm

遮光壁12刃2枚BL19LXU50mmm

Rotation25m

シリコン単結晶とそこから切り出した2枚の刃(600µm thickness)
ゴニオメーターにセットして、1pulse=0.17µrad精度で制御• 2017年10⽉に2⽇間測定• Dq=4.6mradまでスキャン (0<ma<1keVの範囲)• 有意な共鳴シグナルは⾒られなかった13

得られた制限
ALPS

排除された
領域

排除された
領域

CAST
ADMXnmA x ioodels• かなり重いALPまで制限
its shown below,• Phys. Lett. B 782(2018)523.
gaγγ

<gaγγ

<

4.2 × 10−3 GeV−1 (for ma < 10 eV),

5.0 × 10−3 GeV−1 (for 46 eV < ma < 1020 eV). 14

(12)

(13)

探し⽅II:
強場下での光の偏光変化を⾒る• 光に強磁場を印加すると、仮想ALPの媒介により偏光が変化
8 8%9Δn= :8 1 −<=> 8?
8?

8

B:

ALP; 𝑥 = (C• シグナル量∝g2B2Lなので、さっきのLSW(∝g4B2L2)よりも磁場感度を上げやすい• ただし、微⼩な偏光変化を低ノイズで⾒る必要がある• 世界的には、イタリアのPVLASグループが先⾏
15

OVAL実験(Observing VAcuum with Laser)• 磁⽯と⾼フィネス共振器の組み合わせ磁⽯
強⼒な磁場で複屈折を起こす

横偏光板

検出器

n||

磁場縦偏光板n⊥

2枚の⾼反射ミラー=Fabry-Pérot共振器
特徴: 9Tのパルス磁⽯(~ms)を0.05Hzの⾼繰り返しで励磁し、磁場に依存した成分を取り出す
16

東⼤・本郷キャンパスにて -)!
  &(-   &(-  %(( "(-スーパーミラー
R>99.999%

',# ,*$+-• Nd:YAG レーザー (1064nm)• 2.4mの光学定盤で実験1.4m,フィネス30万以上の共振器• 共振のFWHM 3pm: レーザー周波数をfeedback制御

2.4m
17

現在、感度向上中

ga [GeV-1]• 2017年の測定: PVLASより1桁(シグナルにして2桁)悪い
感度• その後、主にレーザーのノイズ削減(ほぼ1桁)• 今後、磁⽯強化により、~1年でPVLASを超える予定
10−2

2017年11⽉の結果−31010−410−510−6OVAL
PVLAS

10−7ALPS
10−810−310−210−11ma [eV]18

まとめとか• 実験室でALPを作って、それを検出する実験• 放射光で⽣成→磁⽯で変換• 放射光で⽣成→結晶の電場で変換• レーザーに磁場をかけて仮想ALPを⽣成• いずれもまだALPは⾒つけられていない• 光源と変換⽤の電磁場の組み合わせが重要• 今までの実験で探せていないパラメータ領域を探る• 現在検討中• 光源: ミリ波ジャイロトロンを利⽤した実験• 電磁場: 集光したPWレーザーの強場
19