[論文レビュー] Solar Hidden Photon Search

Matthias Schwarz, A. Lindner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用数 9

ひとこと要約

太陽の隠れた光子（HP）を、太陽を追跡する長大な光を遮蔽した管内での真空中から光子への変換によって検出する太陽隠れた光子探索（SHIPS）を提案する。運動的混合に起因する振動を用い、4.3 mの真空中の管でHPから光子への再変換を測定し、1週間でS < 3の感度を達成する。2日間の観測で100秒ごとに1光子を生成するフラックスの発見可能性を有する。

ABSTRACT

The Solar Hidden Photon Search (SHIPS) is a joint astroparticle project of the Hamburger Sternwarte and DESY. The main target is to detect the solar emission of a new species of particles, so called Hidden Photons (HPs). Due to kinetic mixing, photons and HPs can convert into each other as they propagate. A small number of solar HPs - originating from photon to HP oscillations in the interior of the Sun - can be converted into photons in a long vacuum pipe pointing to the Sun - the SHIPS helioscope.

研究の動機と目的

• 長大で光を遮蔽した真空中の管を用いて、HPから光子への振動による太陽の隠れた光子（HP）の検出を目的とする。
• 光子とHPの間の運動的混合を、標準模型を超える新しい物理の探査手段として活用することを目的とする。
• 極めて弱い結合定数（χ ∼ 10⁻¹⁶–10⁻³）と、電子ボルト未満のHP質量に対して高い感度を達成することを目的とする。
• 外部磁場を必要としない背景抑制型のヘリオスコープ実験を構築し、axion探索とは異なり、磁場を用いない。
• 将来の大型ヘリオスコープを用いたダークマターおよびダーク放射の検出を可能にする。

提案手法

• 太陽を追跡する望遠鏡に取り付けられた4.3 mの長さ、25 cmの直径のステンレス鋼製真空中の管（TSHIPS）を用い、HPから光子への再変換を検出する。
• フレネルレンズ光学系と冷却されたフォトンマルチプライヤー管（PMT）を用い、光学的および近赤外帯域で1光子検出が可能な、最大で0.5 Hzのダークカレントを実現する。
• 運動的混合メカニズムに依存する：γ ↔ γ′の振動は、P(γ′ ↔ γ) = sin²(2χ) / [(cos 2χ + f)² + sin²(2χ)] × sin²[(mγ′²L)/(4ω√((cos 2χ + f)² + sin²(2χ)))] で記述され、fは屈折率効果を表す。
• ターボポンプを用いて10⁻⁶ mbar未満の圧力で運転し、気体による振動抑制を最小限に抑える。
• 管を太陽に追従させ、像形成幾何学的配置を用いることで信号対雑音比を最適化する。
• Nγ = ∫AT (dΦγ′/dω) P(γ′ → γ) dω により光子フラックスを測定し、集光面積、長さ、時間に比例して感度が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を用いずに、真空中から光子への変換によって太陽の隠れた光子を検出可能か？
• RQ2 運動的混合角χ ∼ 10⁻¹⁶–10⁻³および質量mγ′ ∼ meVのHPを検出可能な感度の閾値は何か？
• RQ3 屈折率抑制（f ≫ 1）は、地上の真空中の管内でのHP検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 4.3 mの真空中の管を有するヘリオスコープは、100秒ごとに1光子を生成するHPフラックスを2日未塔で発見可能か？
• RQ5 将来の大規模なHP探索に最適な実験パラメータ（長さ、直径、屈折率）は何か？

主な発見

• TSHIPSヘリオスコープはダークカレントノイズレベルをγdc ≃ 1.7 Hzまで達成し、高い信号対雑音比で1光子検出を可能にした。
• 100秒ごとに1光子を生成する仮説的なHPフラックスは、2日未塔の観測で発見の有意水準Sが3を超える。
• 予想される除外限界は、太陽追跡1週間でS < 3、4週間でS < 3であり、mγ′ ∼ meVの条件下でχ ∼ 10⁻⁸–10⁻⁷の感度を有する。
• 実験はダークカレントによって背景制限を受けており、感度はNγ / √(γdc T)に比例することが確認され、低ノイズ検出器の重要性が裏付けられた。
• 第2フェーズの計画が進行中であり、DESYに13 mの長さ、125 cmの直径のヘリオスコープを、専用の高度・方位角アームに設置して感度を向上させる。
• ガス密度を低く保てれば（P < 10⁻⁴ mbar）、屈折率抑制に対してもこの手法は頑健であり、振動確率が維持される。