強磁場高密度天体で探るアクシオン暗黒物質

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本研究では我々の宇宙における暗黒物質の有力候補であるアクシオンに焦点を当て、近傍宇宙に点在する強磁場高密度天体の電磁波観測によってアクシオン暗黒物質の間接検出が可能かどうかを理論的に検証することを目指している。特に中性子星に代表される天体周りの磁場構造、およびプラズマのダイナミクスに関する最先端の知見を取り入れ、それら天体の磁気圏でアクシオンが引き起こす特異な電磁気現象をシミュレーションを駆使して詳細に解析し、期待されるアクシオン由来の電磁波シグナルを定量的に評価することで観測可能性を明らかにすることを目的としている。以下、研究代表者の北嶋と研究分担者の木坂が2022年度に行なった研究の具体的内容を記す。代表者の北嶋は、中性子星磁気圏におけるアクシオン・光子変換過程についての詳細な計算を行い、特に磁気圏における現実的なプラズマ粒子数分布を考慮した新たな効果を取り入れて、アクシオン暗黒物質の運動に起因する電波放射の角度依存性、シグナルの時間依存性を明らかにした。分担者の木坂は、中性子星磁気圏からのアクシオン起源の電波放射の検出に向け、その妨げとなる中性子星固有の電波放射が起こらないと想定される条件を満たす中性子星磁気圏のプラズマ状態に対して粒子シミュレーションを行い、そのパラメータを明らかにした。北嶋、木坂の各々の研究は相補的であり、双方の結果を組み合わせることで相乗効果が生じる。実際、代表者の北嶋と分担者の木坂は研究協力者である門田、當真とともに１、２ヶ月に一度程度の研究打ち合わせをリモートで行うことで緊密な連携を取り続けており、その結果、北嶋が担当するアクシオン・光子変換の解析と木坂が担当する中性子星磁気圏のプラズマのダイナミクスの効果を融合する段階まで達している。