AXION実験
CARRACK小川 泉

ALPを探す• 何を？
• 天然系• Solar axion• Halo axion• (Supernova axion…)• 作ってまえ• 実験室で作って検出• どうやって？

arXiv: 1801.08127• 通常の物質との結合• 光子 𝑔𝑎𝛾𝛾 =• 電子 𝑔𝑎𝑒𝑒 =𝛼Τ2𝜋𝑓𝑃𝑄Τ𝑁

𝐸𝑃𝑄 Τ𝑁 − 1.95

𝑓𝑃𝑄
𝑋𝑒
3𝛼 2 𝐸𝑃𝑄+ln
𝑁4𝜋𝑁𝑚𝑎• 陽子 𝑔𝑎𝑝𝑝 = ⋯• 中性子𝑔𝑎𝑛𝑛 = ⋯− 1.95 ln

ΛQCD
me𝑚𝑒
𝑓𝑃𝑄Τ𝑁

四天王の中で最強 : gagg
※最強：使い勝手がいい• 実験では… （逆）プリマコフ効果• Helioscope, Haloscope,…

磁場が大事！
ON/OFF+resonance, boost….

現状
arXiv: 1801.08127

現状axion-photon couplingaxion-electron couplingarXiv: 1801.08127• 黒系：実験室• 青系：天体物理（太陽、恒星他）• 緑系：宇宙物理（DM halo, その他）
• 黄系：理論モデル（axion）

実験室での探索• 利点：モデル（天体／宇宙物理）に依存しない• 欠点：（現時点では）感度が低い• 実験手法• Light-shining-through wall (LSW)実験• ALPS, CROWS, OSQAR, STAX, …
• Laser, マイクロ波, X線• Polarization実験• PVLAS, …

太陽axionの探索

J. Vogel, talk at Patras 2019DH axion以外の計画まとめ

Laboratory

Solar

A(cm2)

ExperimentstatusB(T)

L(m)

Power(W)

ALPS-I

Done

54.3

4CROWSDone

30.1550

OSQAR

Ongoing

914.318.5ALPS-II

In preparation

510030STAXConcept

150.5105

Brookhaven

done

2.2

1.8130SUMICOdone

42.518CASTOngoing

99.330BabyIAXO

In design

~2.5

10

2.8x103

IAXO

In design

~2.5

22

2.8x104

arXiv: 1801.08127

ダークハロー アクシオン• 太陽近傍β ～ 10-3

ρDM = 0.2 - 0.56 (0.45) GeV/cm3𝑚DM
暗黒粒子
WIMPs

反跳信号
ド・ブロイ波長～1mm

1 eV
暗黒波
ALPs

検波・増幅回路

ゲルマニウムラジオ
http://ele-tech.net/germanium-radio2/

同調回路

記録・解析

N.Woolet, talk at Rencontres de Moriond (2018)

Now playing…
Radio 𝑔𝑎 𝑔𝑎(𝑚𝑚𝑎)!

Conventional Haloscopes• 信号• 共振空洞の利用: Q𝜇eV
𝑃𝑠 = 7.2 × 10−23 W
𝑚𝑎2 𝐵𝑔𝑎𝛾
𝑒−16−12 × 10 GeV
8T2

𝜅
0.5

𝑄
105𝐺𝑚
0.69

𝑉200 𝑙• 実験装置の最適化• 大きな形状因子（𝐺𝑚 ）のためにはTM010モードが良い• 探索質量∝(共振空洞半径)-1𝑉 ∝ 𝑚𝑎−2

• 超伝導磁石• 強い磁場• 大きな内径• 共振空洞• 大きな体積• 高いQ値（ただし上限(𝑄𝑎 ≈ 106 )あり）

ADMX
𝑉 = 136 𝑙, 𝐵 = 6.8 T, 𝐺𝑚 = 0.4, 𝑄 = 50000

G. Rybka, talk at PATRAS2019

Scan rate
• 有限時間内になるべく広い質量領域を探索したい
𝑑𝑓2−2~𝐵 4 𝑉 2 𝐺𝑚
𝑄𝐿 𝑇𝑠𝑦𝑠𝑑𝑡

𝑇𝑠𝑦𝑠 = 𝑇𝑝ℎ𝑦𝑠 + 𝑇𝑎𝑚𝑝

Quantum-limited
AmplifierStrong Magnet

𝑇𝑎𝑚𝑝

𝐵, 𝑉
Cryogenics
Tunable High-Q resonator

𝑉, 𝐺𝑚 , 𝑄𝐿 , Δ𝑓

𝑇𝑝ℎ𝑦𝑠
Dilution refrigerator

戦略• ADMX… 一番おいしいところ(a few~10 μeV)
• 空洞サイズ, 磁場, etc.

• 未踏の地は…
• さらに感度を上げる• 軽い方に行くか、重い方に行くか。
• 軽い方• 共振空洞：でかい空洞とボーア径大で強いマグネット• 他のアイディア：LC回路, Laser干渉計, etc.

• 重い方
• 共振空洞• 空洞ちっこいので、強いマグネットは作りやすい？
• でも体積が…複数空洞？
• 高次のモードを使う…すると形状因子が…

• 他のアイディア：Dish antenna, Dielectric Haloscope, etc.

未探査領域～軽い方～• でかい共振空洞とでかくて強い磁石！
• WISPDMX: DESY HERAの空洞を利用• 𝑓𝑐 = 208 MHz, 𝑉~500 𝑙, 𝑄 = 46000• 当面磁場を使わず、hidden photon探索を目指す• KLASH: KLOE超伝導磁石の利用• 𝑉~22 m3 , 𝐵 = 0.6 T

C. Ligi, talk at PATRAS2019

未探査領域～さらに軽く～• トロイダル磁石とLC回路

PRL122(2019)121802• ABRACADABRA• 最初のステージとしてABRACADABRA-10cm• まずは、共振(LC)ではなくブロードバンド測定
質量領域• DM Radio• 670 mL Pathfinder• 質量領域：500 peV – 50 neV• 磁石なしで、hidden photonに焦点

S. Chaudhuri, talk at Caltech HEP Seminar 2019

S. Chaudhuri, talk at Caltech HEP Seminar 2019

未探査領域～重い方(1)～• 強磁場マグネットの利用• HAYSTAC
𝑓𝑐 = 5.6 − 5.8 GHz, 𝑉 = 1.5 𝑙, 𝐵 = 9 T• ORGAN𝐵 = 14 T → 28 T → ⋯• CAPP
𝐵 = 8 T → 18 T → 25 T → ⋯YK. Semertzidis, talk at "Axion physics and dark matter cosmology“, Okayama, 2017

未探査領域～重い方(2)～• 既存のマグネット内に複数の共振空洞• 空洞間のPhase matchingが必要• ADMXのマグネット• ADMX-G2で４つの小型空洞• CASTのマグネット• 長さ(10m)方向に並べる
CAST-CAPP M. Maroudas, talk at PATRAS2019
G. Rybka, talk at PATRAS2019

CAST-RADES JMG. Barceló, talk at PATRAS2019

未探査領域～重い方(3)～• 共振空洞の高次のモードを使用• 形状因子の値が悪くならないように

ORPHEUS• 通常はcancelしてしまう（左）• High-n dielectricsの利用（中）• 外部磁場を空間的に変化させる（右）arXiv: 1801.08127

高次モードの利用（CAPP）
TM010

TM020

TM030

Pa®gg = ga2gg

SW Youn, talk at PATRAS2019

rama

B 2VCmnp min(QL ,Qa )Modefrel

Qrel

Vrel

Cabs

TM010

11

10.69

TM020

2.3

1.5

10.13

TM030

3.6

1.9

10.05

C ~ 0.4

Dielectricring

未探査領域～重い方(4)～• 共振空洞はあきらめて…
• 外部磁場中の境界面(𝜖1 ≠ 𝜖2)• 光子の放出• Dish Antenna• Broadband search• BRASS-6実験（建設中）• Dielectric Haloscope• MADMAX実験（proof of principle）

E. Garutti, talk at PATRAS2019

Le H. Nguyen, talk at PATRAS2019

S. Knirck, talk at PATRAS2019

DH axion探索実験(𝑔𝑎𝛾𝛾 )まとめScan rate
• 有限時間内になるべく広い質量領域を探索したい
𝑑𝑓
2−2~𝐵 4 𝑉 2 𝐺𝑚
𝑄𝐿 𝑇𝑠𝑦𝑠𝑑𝑡
Cryogenics

𝑇𝑝ℎ𝑦𝑠

𝑇𝑠𝑦𝑠 = 𝑇𝑝ℎ𝑦𝑠 + 𝑇𝑎𝑚𝑝
Quantum-limited
Amplifier

𝑇𝑎𝑚𝑝

Strong Magnet

𝐵, 𝑉

各グループで開発が進行中

CARRACK: Rydberg atom
Tunable High-Q resonator

𝑉, 𝐺𝑚 , 𝑄𝐿 , Δ𝑓• Rydberg原子によるマイクロ波光子検出– SQLなし！
– Rydberg原子• （主としてアルカリ原子で）最外殻電子が主量子数nの大きい（～100）状態に励起した原子• Large radius• Long lifetime~ msec for n~100• Energy level• Energy separation Enp − Ens  n −3axion as CDM• Large E1 transition probability
np er ns  n 2• Low ionization threshold

Fionize  n −4classical ionization threshold : 2.2 V/cm for n=110

PLA 349(2006)488

111s1/2 ⇒ 111p3/2
2527 MHz SQL: 121 mK

レーザー光
⑥ 希釈冷凍機
熱雑音低減のため、システムを極低温に冷却する⑤ 超伝導磁石②用マグネットと④用の補償用マグ
ネットからなる⑤ フィールドイオン化検出部
上の準位に励起したRydberg原子だけ(|np >)を選択的にイオン化して検出する。
④ 検出用空胴Rydberg原子がアクシオン転換光子を吸収して励起する(|ns > → |np > )③ レーザーシステム
２本のレーザー光を用いてアルカリ原子を基底状態からRydberg状態へ励起させる(|g > → |ns > )② 転換空胴強磁場中の共鳴空胴中でaxionをマイクロ波光子に転換する
a→g

原子ビーム
① 原子ビームオーブン部
アルカリ原子（Ｋ）ビームを作る（|g >）クライオスタット上部

原子ビーム発生装置

• Cavity中のStray fieldによる準位の混合– 極低温時、電極表面に不純物が付着して、空間的に非一様な浮遊電場が生じる。 O(10 mV/cm)– 浮遊電場が吸収線幅を広げてしまう。

Idealsituation• 原子ビームとして、85Rbの代わりに39Kを使用– 外部電場に対して非常に鈍感であると予想されている

• CARRACKの改良点◦ 原子をRbから外部電場に鈍感な39Kに変更◦ 探索質量域の変更（2.4 GHz→24 GHz）
• これにともなう検出効率向上の必要性• バンチ化による検出効率の向上◦ フィールドイオン化パルス電場にタイミングを合わせたバンチを供給→duty cycleを上げる。
◦ 転換光子を100%吸収できる原子数が必要。

原子ビームを高輝度化した上で、バンチ化する• 100 %の吸収確率◦ １バンチ内の原子数：>200 atoms/bunch• Rydberg状態の維持（寿命：～1 ms）• 幾何学的問題（～3 mの飛行）◦ 速度広がり：1 m/s（縦横ともに）吸収確率◦ ビーム速度：300 m/s[2] M.Saeed , S.Matsuki , I.Ogawa, et.al., in preperation

原子数バンチ化原子ビーム生成方法
原子ビームはレーザー（赤矢印）の向きに力を受ける
5.速度選別器

バンチ化原子ビーム生成プロセス
原子ビーム発生

2. レーザー冷却（第一圧縮）→レーザー加速の間の広がりを抑えるために、横方向の運動量を圧縮。

速度の遅い原子を加速して300 m/sにする。

4. レーザー冷却（第ニ圧縮）5. 速度選別器（ディスクスロット型）→

3.レーザー加速原子ビーム高輝度化。

速度300m/sの原子のみを選別し、バンチ化

100 mm→

600 mm

3. レーザー加速→

4.第ニ圧縮Atomic Beam→

400 mm1. 原子ビームオーブン

2.第一圧縮1.原子ビームオーブン
32

原子ビームシミュレーション

2015/9/28秋季大会

33

•

京都大学にて建設中•

レーザー系と合わせてテストを行う– ビームプロファイルモニタ
で性能確認予定• アンプ系の雑音を下げる– 単光子検出が有効• 世界中で開発・テスト中– Rydberg原子は単光子検出が可能– 検出効率を向上すべくK原子のバンチ化ビーム発生装置を京大にて構築中