ボウタイ型光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の広帯域探査

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現在遂行中である光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質探索実験(DANCE)において、本年度は以下の研究成果を得た。【光学素子の改良による高感度化】現在のプロトタイプ実験DANCE Act-1では、s偏光とp偏光を共振器内に同時に共振させるため、偏光ビームスプリッター(PBS)を使用した補助共振器を導入している。この補助共振器を用いた同時共振により感度を向上させられるが、PBSによるロス等によって感度を当初の予定ほど向上させられないことが明らかになっていた。そこで、PBSをDANCE Act-1の入射角である42度に対応したものに変更、また反射防止膜を施すことによって、光学ロスの低減を行い、感度を2.4倍改善することに成功した。【雑音源の特定】DANCEではアクシオン暗黒物質の信号は共振器透過光の偏光回転として現れ、これはPBSと光検出器を用いて測定することができる。偏光回転角測定の究極的な感度は光の量子性に起因した雑音であるショットノイズによって制限されるが、現実にはショットノイズよりも大きい古典的な雑音が支配的である。したがって感度向上のためには、古典的な雑音源とそのメカニズムを特定し、対処・低減することでショットノイズリミットを目指す必要がある。そこで、偏光回転角測定から得られたデータを解析することで雑音源の特定を行った。その結果、現在支配的となっている雑音源が共振器の機械振動やレーザーの周波数雑音に起因した位相雑音であることを特定した。【オフライン解析による雑音の低減】偏光回転角測定において位相雑音が支配的な雑音源であることが判明したため、位相雑音の情報を含んだフィードバック制御信号を用いてオフライン解析を行い、雑音の低減を行った。時系列データ上での引き算を行うことによって、0.1-100 kHzの周波数帯に渡って一桁以上雑音を低減することに成功した。