助成番号５－２190069
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ
（和文）

光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索

研究テーマ
（英文）

Search for axion dark matter with an optical ring cavity

研究期間

研究代表者

２０１９年 ～ ２０２２年

氏
名

（漢字）

道村 唯太

（カタカナ）

ミチムラ ユウタ（英文）Yuta Michimura

所属機関・職名

共同研究者＊２名 をこ える 場
合は、【別紙追加用紙】（P3）に３人目以降を追記してください。

氏
名

藤田 智弘

（カタカナ）

フジタ トモヒロ（英文）Tomohiro Fujita
早稲田大学 高等研究所・講師

（漢字）

小幡 一平

（カタカナ）

オバタ イッペイ（英文）Ippei Obata

所属機関・職名

東京大学

東京大学 大学院理学系研究科・助教→ 2022 年 4 月から カリフォルニア工科大学・リサーチサイエンティスト（漢字）

所属機関・職名氏名

研究機関名

東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構・特任研究員

概要 （600 字～800 字程度にまとめてください。）
数々の宇宙観測によって、宇宙の全物質の約 80%は暗黒物質であることが判明している。しかし、長年の大規模な観測と実験にも関わらずその正体の特定には至っておらず、現状打開のためには新しい発想による探索が求められている。
本研究では、10-12 eV 程度以下の低質量領域において、新しい発想でアクシオン暗黒物質の探索を行った。アクシ
オンは暗黒物質の有力候補として近年高い注目を集めている未発見の素粒子である。
アクシオンは光子とわずかに相互作用し、左円偏光と右円偏光の位相速度を変化させることが知られている。我々はこの性質に着目し、光リング共振器を利用してアクシオン暗黒物質を探索する新手法を 2018 年に提案した。
本研究助成により、世界に先駆けてこのアイディアに基づく光リング共振器の制作が可能となり、2021 年 5 月に世界初の観測運転に成功した。2020 年 8 月の最初の動作実証から、この観測運転までの間には様々な工夫を行った。まず、円偏光間の位相速度差を直線偏光の周期的な回転として検出する工夫により、より簡易な信号取得を可能とした。また、光学系を覆うカバーの製作や、共振器鏡を固定するジグの改良により、音響雑音や振動雑音の低減、長期的な安定度の向上を行った。さらに、デジタルシグナルプロセッサを利用して、光共振器のロックを自動回復できるようにすることで、長期に渡る自動運転が可能となった。
2021 年 5 月に 12 日間に及ぶ観測運転を行い、2023 年 3 月にはその観測データを用いたアクシオン暗黒物質の探索結果を発表した(arXiv:2303.03594、現在査読中)。上限値の更新には至らなかったものの、偏光を利用したテーブルトップ実験としては世界初の成果である。また、これにより観測データの較正手法、解析パイプライン、疑似信号除去手法などの確立を行うことができた。さらに、この観測時は s 偏光と p 偏光が同時に共振しないために感度が大幅に悪化してしまうという課題が見つかったが、補助共振器を用いることにより感度を回復させる手法を考案することができ、今後もさらなる感度向上が見込めることがわかった。

- 1 -発表文献 （この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文課題

Axion dark matter search using arm cavity transmitted beams of gravitational wave detectors

著者名

K. Nagano et al.

雑雑誌名

Physical Review D

発行年

2誌
ページ

021

巻号

104

論文課題

Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment DANCE: Design and development of auxiliary
cavity for simultaneous resonance of linear polarizations

著者名

H. Fujimoto et al.

雑誌名Journal of Physics: Conference Series

ページ

012182-1～4

発行年

2

雑誌

062008-1～10

021巻号

論文課題

Ultralight dark matter searches with KAGRA gravitational wave telescope

著者名

Y. Michimura et al.

雑誌名Journal of Physics: Conference Series

ページ

012071-1～4

発行年

22156

雑誌
021巻号

2156

論文課題

First observation and analysis of DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment

著者名

Y. Oshima et al.

雑誌名Journal of Physics: Conference Series

ページ

012042-1～4

発行年

2

雑誌
021

巻号

論文課題

Axion Dark Matter Search with Interferometric Gravitational Wave Detectors

著者名

K. Nagano et al.

雑誌名Journal of Physics: Conference Series

ページ

012027-1～4

発行年

22156

雑誌
020巻号

論文課題

DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment

著者名

Y. Michimura et al.

雑誌名Journal of Physics: Conference Series

ページ

012032-1～4

発行年

21468

雑誌
論文課題

ダークマター探索に新展開

著者名

道村唯太(監修)

0

20

巻号

1468

020巻号

12 月号

雑
雑誌名

Newton

発行年

2誌
ページ

90～99

論文課題

レーザー干渉計で重力波と暗黒物質の二毛作

著者名

道村唯太・長野晃士

雑誌名

理学部ニュース (東京大学 大学院理学系研究科)

ページ

012032-1～4

発行年

2

雑誌
020巻号

1 月号

英文抄録 （100 語～200 語程度にまとめてください。）
Despite strong observational evidence for the existence of dark matter, its identity and properties remain one of
the biggest mysteries of our Universe. Large-scale experiments and observations have been searching for dark
matter for decades, but there is no clear detection yet. There is thus a clear need for searches of new dark mattercandidates, with brand-new experimental ideas.
This project aims to search for axion dark matter with masses below 10-12 eV. It has been known that axions canbe searched by measuring vacuum birefringence. Based on this property, we have proposed to search for axions
using an optical ring cavity in 2018.
Thanks to this grant, we successfully build an optical ring cavity based on this new idea and performed the firstever observing run to search for axion dark matter in May 2021. The result of the analysis using data from this12-day run is reported in arXiv:2303.03594 (under peer review). Although the upper limit did not exceed the current
best limits, this work was the first demonstration of polarization-based axion dark matter search with a table-topexperiment. Also, we have established methods to calibrate and analyze the data and to veto false signals.
- 2 -