[論文レビュー] The DESY axion search program

Daniel Heuchel, Axel Lindner+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、DESYにおける3つの主要なaxion探索実験—ALPS II、BabyIAXO、MADMAX—の現状と科学的目標を提示する。それぞれが異なる検出技術を採用しており、光を壁の向こうに通す（LSW）、太陽を用いた、およびハロスコープ方式である。HERAトンネルのインfraストラクチャーを活用し、従来の実験と比較して1000倍以上の感度を達成することで、axion-光子結合を約10⁻¹³ GeV⁻¹まで探査可能となり、広範なaxion質量範囲をカバーし、ダークマターおよび標準模型を超える素粒子物理学の独自の発見可能性を提供する。

ABSTRACT

Feebly Interacting Particles (FIPs) might offer the solution to (some of) the open questions beyond the Standard Models of particle physics and cosmology. At DESY in Hamburg, three non-accelerator-based experiments will search for FIPs as dark matter candidates (ALPS II, BabyIAXO) or constituting the dark matter in our home galaxy (MADMAX).

研究の動機と目的

• 複数の補完的実験的手法を用いて、axionおよびaxion様粒子（ALPs）をダークマター候補として探索すること。
• 現在の加速器および天体観測からの限界を超えて、axion-光子結合パラメータ空間において前例のない感度を達成すること。
• 質量が約10⁻⁷ eV、結合定数が約10⁻¹¹ GeV⁻¹の理論的ベンチマークaxionモデルを検証すること。このモデルはダークマターおよび天体物理学的異常を説明できる可能性を有する。
• かつて電子陽電子衝突型加速器であったDESYのHERAトンネルを、大規模かつ非加速器型axion実験の共用インフラとして活用すること。
• 特に100 µeVから10⁻⁷ eVの範囲において、モデルに依存しないaxion質量および結合定数の探索を可能とすること。

提案手法

• ALPS IIは、2つの高ファインネス光学キャビティと12個の超伝導電磁石（各122 m）を備えた、光を壁の向こうに通す（LSW）装置であり、axionの生成と再変換を共鳴的に増幅する。
• axion-光子結合は、光子からaxionへ、再び光子へと変換される確率によって調べられ、Pγ→a→γ ∝ (gaγγBL)⁴ の式で記述される。ここでBは磁場、Lは経路長である。
• 2つの独立した検出システムを用いる：レーザーと信号の拍動周波数を測定する異縁検出（HET）、および100 mKで単一光子カウントを行う遷移端センサー（TES）。
• MADMAXは、平行なサファイアディスクと鏡を備えた誘電体ハロスコープであり、9 Tの磁場下で10–100 GHzの周波数帯域でaxionから光子への変換を共鳴的に増幅する。
• BabyIAXOは太陽を相対論的axionの源として用い、大面積X線検出器を備えた大規模ヘリオスコープを用いて、磁場中でのaxionから光子への変換を探索する。
• すべての実験は、かつての電子陽電子衝突型加速器であったDESYのHERAトンネルに設置されており、遮蔽および冷却支援の既存インフラを活用している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ALPS II実験は、従来のLSW実験と比較して、axion-光子結合に対する感度を1000倍向上させることができるか？
• RQ2 MADMAXは、従来のマイクロ波キャビティハロスコープでは到達できない100 µeVの質量範囲のaxionを検出できるか？
• RQ3 ALPS II、BabyIAXO、MADMAXの感度の組み合わせは、質量ma ≈10⁻⁷ eV、gaγ ≈10⁻¹¹ GeV⁻¹の理論的に動機づけられたベンチマークaxionモデルをカバーできるか？
• RQ4 ALPS IIの2つの独立した検出システム（HETとTES）は、axionに起因する光子再生信号を相互に検証可能か？
• RQ5 DESYのaxion計画は、星のエネルギー損失や高エネルギー光子の伝播といった天体物理学的パズルを解明する発見可能性を有するか？

主な発見

• ALPS IIは122 mの磁石ストリングの試験を完了し、光学装置の設置も完了。2023年初頭にHETベースの科学運用が開始された。
• HETベースの運用では、従来のLSW実験と比較して100倍の感度向上を達成。完全な光学システム導入後には1000倍の向上が予想される。
• MADMAXの超伝導磁石のクエンチ保護システムは、CEA/Saclayでの試験により検証され、迅速なクエンチ伝播が確認され、主要な技術的リスクが軽減された。
• プロトタイプ試験により、低温下で5.3 Tの磁場中に置かれたピエゾモーター駆動の誘電体ディスクの位置決めが信頼性をもって動作することを実証し、主要な機械的課題が解決された。
• ALPS IIの装置は、gaγγ = 2×10⁻¹¹ GeV⁻¹、B = 5.3 T、L = 105.6 mの条件下で、壁の向こうに1日あたり約2光子の検出が予想される。
• ALPS II、BabyIAXO、MADMAXの感度予測の組み合わせは、axionパラメータ空間の広範な領域をカバーしており、ダークマターおよび天体物理学的異常を説明できる可能性があるベンチマークモデルも含んでいる。