レーザー・アクシオン探査実験 の提案

レーザー・アクシオン探査実験

の提案

1

高エネ研、

2

国立天文台、

3

大阪市大

アクシオンとは

標準理論で

未解決の部分

Strong CP Problem

_{この部分はC,CPを破るが、中性子の電気双極子モー}

メント測定より、実験的にはC, CPは良く保存している。



L

_SM

 



g

2

32



2

G

 a

_G

˜

a

今のところ、

アクシオンの導入

_{が唯一うまく説明できる方法}

・軽い擬スカラー粒子 ->

Dark Mater

の候補

・フォトンやフェルミオン （モデルに依存する）

とも相互作用を行う。

B

a

γ

Primakoff Effect



L

_a

 

g

_





a x

 

f

_a

E



B



g

_



0.36



0.97







DFSZモデル

KSVZモデル

（ハドロン的）

（

_PQ

対称性の破れ）

アクシオン探査実験

宇宙からのアクシオン探査実験

実験室での探査実験

•

マイクロ波キャビティー実験

Axion as CDM.

Searching narrow mass range of µeV. BNL: RBF, UF:U. Florida: ,

LLNB: ADMX, Kyoto: CARRACK

•

太陽アクシオン探査

Axion produced inside Sun. X-ray energy region

BNL: RBF, CERN: CAST, U. Tokyo; Sumico

• 光学望遠鏡での探査

Axion decay search in clusters

Kitt Peak, VLT

•

レーザー・アクシオン探査

Axion produced by laser Italy: PVLAS, Taiwan: Q&A

BNL: BFRT, France: , Desy: ALPS, CERN: OSQUR Fermi: GammeV, Jefferson Lab: LIPPS

• オルソポジトロニウム実験

decay with Nanbu-Goldstone boson

U. Tokyo

• 原子遷移を用いた実験

M1 transition

U. Tokyo

• 原子炉を用いた実験

Substitute emission of photon

Axion Window

SN1987A Red Giant

2.5 GHz λ=10μm λ=1μm

PVLAS

Cosmology

CAST

Exclude Map of Axion Search

(gray zone)

( )

Q. 他の実験に比べ、到達感度が低いにもかかわらず、

なぜレーザー・アクシオン探査実験を行う事が重要

なのか？

A. パラメータの不定性が尐なく、宇宙論モデルによら

ない。

つまり、

加速器実験的な精度と信頼度

_{が期待出来る。}

代表的なレーザー・アクシオン探査実験

2タイプの実験が行われている

B

a

γ

Laser photon 直線偏光 _{-> -> Pseudo-scalar} -> -> Scalar Dipole Magnet virtual photon 検出原理 変換確率 cut-off floor

(1) 偏光計測

B E_⊥ ① 偏光角回転 ② 複屈折 B E_// E_⊥ Slow v Fast c a E_// E_//’

γ

γ

B

B

a PVLAS, Q&A, … 真空場の複屈折と同じ効果 アクシオンが見つかった？ すでにPVLAS自身を含む複数の実験で否定 非常にノイズフルな実験 PVLAS

(2) “Shining Light Through the Wall” (フォトン再生成実験)

Laser

_γ

_γ

PD

B

B

a

Wall

変換確率が2回かかってしまう

ALPS 実験 @DESY

K. Ehret, hep-ex 1004.1313

Non-linear crystal -> λ = 532nm (Green), 5W (previous 0.8W)

35W, 1064nm laser

Detector CCD FP cavity

N~300

HERA dipole magnet, 5T, 8.8m

GammeV 実験

パルスレーザー

(λ=532nm,δt=5ns,

E=0.16 J, f=20Hz）

@Fermi

Tevatron Magnet

(5T, 6m )

10mマグネット内を光が伝搬する時間:

30ns

• 典型的なパルスレーザー: ~ns パルス幅 • PMTの応答時間: ~ns PMT ダークノイズを劇的に低減 A. S. Chou, PRL 100, 080402

32MWpp

核融合用レーザーを用いた

Shining Light Through the Wall実験の提案

結局のところ

・ 強磁場

・ 長基線長マグネット

・ 大パワーレーザー

力業が効く！

つまり

スケール倍での考察 2

GammeV

B = 6 T

L = 6 m

E = 0.16 J

阪大レーザー核融合研

B = 12 T

L = 12 m

E = 10 kJ

gの値1/60

NIF

B = 12 T

L = 12 m

E = 1 MJ

1/200

ALPS 激光 NIF

超短パルスレーザー

_vs.

大パワーレーザー

・ アクシオンの生成数は、ピークパワー ではなく、フォトン数_{で決まる。} ビームエネルギーが同じなら、同じ。 ・ パルス幅が狭い方が、ディテクタの ダークカウントが減るので、感度は上がる。 ただし、フォトマルの応答時間は現状 nsec程度。 したがって、現状ではfsec等の超短パルス レーザーの御利益はあまりない。

nsec程度のパルス幅、大エネルギーの核融合用レーザーは

レーザー・アクシオン探査に向いている。

超短パルスレーザーを用いた場合のアイデア

Q2. 磁場の代わりに超短パルスレーザーを使えるか？ PWレーザー、ビーム径10µmの時 アクシオン変換確率のフロア部 GammeV： 5 [T] * 6 [m] = 30 [T m] LHC: 10 [T] * 10 [m] = 100 [T m] Ultra-short: 106 _{[T] * 10}-5 _{[m] = 10 [T m]} 重要なファクターは (B L)2 大きなメリットは無い しかし、相互作用長が短いので、カットオフ は大質量側に大幅にシフトする。 meV eV

PW pulse

PW pulse

B

B

B

B

Typical case

Ultra-short pulse case

PW pulse

PW pulse

B

B

B

B

Typical case

Ultra-short pulse case

PW pulse

PW pulse

B

B

B

B

Typical case

POLARIS (150fs, 150J, 0.1Hz, 1035nm) PW laser

Short base-line interferometer can be used since interaction length is short.

Interaction length ~ 10 m

Another measurement idea

Birefringence: Interfeometric measurement of birefringence

This schema of experiment is under considering in “Intense Field Experiment” group in KEK and Hiroshima U.

Resonant speed-meter configuration can improve this issue, but still not sufficient.

An large issue is observation frequency band spreads widely.

光源への要請

(1) D < 10mm、L > 10mのビームレイアウトが必要。

→ 超伝導マグネットのボア径で制限される。

LHCマグネットでも5cmくらい。

(2) 超短パルスレーザーの方向だけでなく、大エネルギーレーザーの開発も

重要である。

-> Axionにはトータルエネルギーが重要。

(3) 超短パルスレーザーの利点を十分に引き出すためには、応答の早い

フォトディテクタが必要。このようなディテクタを開発することも重要。

(4) 高い繰り返し周期は、データの統計を上げるために重要。

C. Robilliard et al., PRL 99, 190403 (2007)

ディテクタ開発側として考えていること

小型・可搬

のディテクタシステム

CERNのマグネットテストベンチ 伝導冷却型レーストラックコイル 超伝導マグネット@箕輪研 (by KEK) 光学定盤サイズ

アクシオン探査

核融合用

レーザー技術

重力波用光学

制御技術

加速器用

超伝導電磁石技術

宇宙マイクロ波

背景放射用

マイクロ波検出技術

加速器用

マイクロ波

キャビティー技術

素粒子物理の

測定器技術

素粒子物理用

解析技術

(3) Next Generation Experiment

P. Sikivie et al., PRL 98, 172002 (2007)

Resonantly Enhanced Axion-Photon Regeneration

Laser Laser B B B B PD PD

ALP production FP cavity Photon regeneration FP cavity

wall

wall

By introducing FP cavity in photon-regeneration magnet, regenerated photon power is

enhanced by finesse. Technical difficulty:

How can we lock regeneration FP cavity without no probe laser beam? LIGO Laser: 10W LHC dipole (~9T): 8 Finesse: 3×105 ALPS ~ 104

Recent results of laser experiment

Pseudoscalar Scalar

K. Ehret, hep-ex 1004.1313

Black-dashed line: dichroism data of PVLAS Black-dotted line : birefringence data of PBLAS