レーザー冷却リドベルグ原子ビームとそのダークマターアクシオン探索への応用

点击翻译按钮获取中文摘要

宇宙における全物質の23%をも占めているダークマターは、現在においてもその正体が分かっていない。ダークマターの有力候補素粒子アクシオンを探索する方法として、我々はアクシオンを高磁場中で極低温に冷却した共振空胴内でマイクロ波光子に転換し、その光子をリドベルグ原子に吸収させて検出する方法を用いる。この方法は、光子を個々に検出する単一光子検出法であり、本来極めて感度が高いが、空胴中に存在する浮遊電場の悪影響で、光子を吸収したリドベルグ原子準位を選択的にイオン化して検出する際にその検出感度が低下する。この難点を克服する手段として、本研究ではレーザー冷却・加速と速度選別を用いて原子を空間的・時間的に圧縮された状態にバンチ化し、空胴中に導入する。この原子群の通過に応じて、時間的に変動する電場を加えて、浮遊電場の影響をダイナミカルに消し去るのが、本研究で実施する感度向上の手法である。具体的には、始めに横方向にレーザー冷却、次いでレーザー加速して縦方向にビームを圧縮(速度圧縮)、さらに横方向に再度レーザー冷却して、速度選別を行って後に自由空間を飛行させて空胴に入れる。空胴内を通過する原子群の位置に応じて、浮遊電場を打ち消す時間変動電場を印加し、検出効率を大幅に向上させる。この方法では、パルス状の電場によるイオン化過程における効率低下も同時に防ぐことが可能である。レーザー冷却・加速とその後の回転ディスクによる速度選別器の解析・シミュレーション計算を詳細に行って最適な実験配置を決定し、これに基づいて装置を設計・製作し、完成させた。