Cosmological Research in Axion Physics: Phenomenology of Parity-Violation in Polarized Photon

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本研究の目的は、未発見の素粒子であるアクシオンが引き起こす光子のパリティ対称性の破れに着目し、宇宙論の枠組みで将来の実験観測から検証を行える手段を開拓することである。当該年度に実施した本研究に関する課題について、主に以下の3つを遂行することができた。（１）最新のCMB観測データを用いたアクシオンインフレーション模型の制限：アクシオンが宇宙初期に光子の様なゲージ場と結合していると、ゲージ場の偏光一成分が増大して原始密度揺らぎや重力波を生成し、CMB実験で観測できる可能性がある。私は国内外の共同研究者らと協力し、PlanckとBICEP/Keckの最新のデータを使ってアクシオン模型のパラメータ領域の制限を行った。この成果は国際的な科学雑誌であるJCAPに掲載された。（２）CMB偏光の複屈折効果を用いたアクシオン探査：近年、Planck衛星のデータからCMBの偏光面が宇宙進化の過程で回転している（複屈折効果）兆候が得られ、素粒子の標準模型では説明できない新物理の存在を示唆している。この結果を受け、私は超弦理論由来のアクシオンが宇宙の暗黒エネルギーを担っている場合にこの観測結果を説明できる可能性があることを共同研究者と提唱した（JCAP掲載済み）。（３）Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment（DANCE）実験の初めての測定結果：2021年5月にDANCEのプロトタイプ実験の最初の測定がなされ、得られたデータから信号や雑音の抽出・解析をし、アクシオン暗黒物質と光子の結合定数の探索を実験チームらと行なった。得られた制限は当初の目標感度に比べると小さいものの、この成果は強磁場を用いない光共振器によるアクシオン観測では史上初の実験結果である。この研究成果は現在、科学雑誌であるPhysical Review Dに投稿中である。