Search for sub-eV axion with two-color femtosecond-pulsed near-infrared lasers

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本研究では、高強度レーザーを用いた誘導共鳴光子衝突器によるアクシオンを含むアクシオン的粒子探索実験を目指しており、本年度はそのための実験装置の改良や背景光の解析手法の確立をおこなった。実施者は、異なる真空度の真空容器間をオリフィスで接続し、その間を集光転送する光学系を用意することで、高強度レーザーが高真空度の容器内に物質の透過なく伝播できるように改良した。これにより、京都大学化学研究所で用いている高強度Ti:Sapレーザーを最高出力で探索実験に運用できるようになり、今後の探索で大幅な感度更新を見込むことができる。加えて、原子を介した四光波混合過程による背景光のうち、光学素子から放出される素子起因背景光の定量的評価手法の確立と除去可能性の調査をおこなった。定量的評価手法として、あらかじめ信号光が集光点で放出されるときの出射角分布を数値計算し、背景光の想定される分布と異なることを明らかにした。さらに、実際の実験で測定された出射角分布に相当する観測光量のレーザービーム断面積依存性の結果から、観測した光が信号光か背景光かを判別可能にした。この結果により、先行研究からアクシオン的粒子の探索感度を1桁更新した。さらに、2次元のICCDカメラを用いることで、背景光の2次元空間分布を測定し素子起因背景光が円形に分布していることを初めて確認した。これにより、観測光が伝播する光路上に背景光をふさぐマスクを用意することで、素子起因背景光を大幅にカットできるという可能性を見出した。これらの成果により、背景光の抑制と解析的除去が可能となり、より高感度な探索が可能となった。