平成9年度 | 68,000千円 |
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平成10年度 | 40,000千円 |
平成11年度 | 37,000千円 |
平成12年度 | 27,000千円 |
平成13年度 | 56,000千円 |
平成14年度 | 34,000千円 |
平成15年(2003年)3月に特別推進研究期間が終了しましたが、翌平成16年(2004年)3月に京都大学を定年退官するまでの1年間は、宇治の化学研究所で研究を継続しました。その後立命館大学(客員研究員、平成17年より教授(チェアプロフェッサー))に現在まで勤務していますが、京都大学退官以降2年間は装置を稼働させることが出来ず、研究を休止せざるを得ませんでした。
しかし、京都大学と学内の多くの研究者がサポートしてくれたことにより、平成18年(2006年)4月、京都大学の宇治キャンパスに設置していたアクシオン探索装置を京都大学・北白川地区(北部構内)低温物質科学研究センターの実験棟に移設・再設置することが出来たので、研究の再開が可能となりました。装置の再設置・運転・実験遂行は、現役の京都大学研究者(低温物質科学研究センター、理学研究科物理第一・第二教室、放射性同位元素総合センター、工学研究科原子核工学)により主として行われていますが、他に立命館大学、および大阪電気通信大学各グループも参加しており、本研究代表者も共同研究者として加わっています。
平成19年12月現在、浮遊電場の影響を低減して検出感度を向上させる為に、カリウム(Potassium:K)原子を新規に利用する装置の改造が完了し、新たな探索開始に向けての準備がほぼ終了する状態になってきています。
この間に、論文7編を出版し、3件の国際会議での発表を行っています。以下に研究の結果と現状、今後の計画について報告します。
研究期間終了後に取得した研究費は無い。
主として以下のような新たな知見が得られた。
マイクロ波の高感度単一光子検出法の開発は、多くの分野に影響を与える重要な課題であるが、リドベルグ原子を用いた我々独自の方法で、67mK(ミリケルビン)までの極低温で熱雑音光子を検出出来る検出感度を得た。この値は、現在最も優れた感度となっている。この検出限界は、浮遊電場の存在によるものであるが、さらに10mK(ミリケルビン)までの感度向上を得る新しい方策を得ており、近い将来に実現できることを確信している。
Rb(ルビジウム)アルカリ・リドベルグ原子の電場下における特性、即ち、シュタルク特性を調べて、簡単な数式で表現する手法を開発した。この結果は、シュタルク構造を多くの研究に利用する際に簡単に利用できる有効な方法である。
K(カリウム)原子のリドベルグ状態は、他のアルカリ原子に比較してシュタルク効果に特徴があり、s-p状態間エネルギー差が電場に依存する効果が小さい。このことは、浮遊電場に影響を受ける割合がより小さいことを意味し、リドベルグ原子を用いたマイクロ波検出感度の向上に有用であることが分かった。K(カリウム)原子が適用出来るように装置の改造を実施し、現在実際に使える段階にある。
リドベルグ原子は小さな電場下でイオン化される(フィールドイオン化法)。これは有用な検出方法であるが、10mK(ミリケルビン)領域の極低温での電子検出は従来行われていなかった。極低温下でも有効な装置を開発し、実際にリドベルグ原子を検出して、その検出効率などを詳細に決定した。この事は多くの研究に有用な結果であり、詳細についての引き合いが来ている。
我々はパルス電場を用いて、高励起リドベルグ原子においても準位識別が可能なイオン化の方法を開発したが、この際に外部電場、および、浮遊電場が回転すると、イオン化に大きな影響を与えることが分かった。この効果の詳細と、これを避ける方法について有用な結果を得た。
開発した高感度マイクロ波単一光子検出器は、種々の分野への応用が可能であり、特に動的カシミア効果の検証などへの応用が考えられる。具体的な応用のアイデアを検討し、実際に適用する場合の具体的手法について案をまとめた。
宇宙の暗黒物質、いわゆるダークマターの存在は、最近のWMAP衛星による精密な観測結果から、より確実なものとなった。宇宙の全質量に占めるダークマターの割合は0.23程度となっており、それに従うと、宇宙初期におけるその生成機構から予想されるアクシオンの質量は、10μeV(マイクロエレクトロンボルト)近くの領域に絞られてくる。我々が当初から目指してきたアクシオンの探索質量域はまさにその範囲にあり、京都・立命・大阪電通大グループは、この領域を精密に探索し、ダークマターアクションの存在に決着をつけるのに極めて有力なグループであると考えている。
現在まで、ダークマターを担う素粒子の正体は分かっていない。多くのグループは超対称性理論に基づくニュートラリーノをダークマター候補として探索しているが、アクシオンも依然として有力な候補であることに変わりは無い。しかも、素粒子としてアクシオンがその存在意義を持つことの最大理由となっている強い相互作用における時間反転(または、CP)対称性の問題(Strong CP problem)も全く解決されてはいない。アクシオンを探索する地道な研究の継続が強く望まれる由縁である。
アクシオン探索実験の困難な理由は、その相互作用の弱さから来る検出の難しさにあり、従来から検出感度を向上させる努力が払われてきた。リドベルグ原子を用いる我々の方法においては、検出感度を決めている最大の要因は空胴とフィールドイオン化電極部における浮遊電場の存在である。浮遊電場の影響を低減し、感度の向上を得るには、現在まで用いていたRb(ルビジウム)原子ではなく、外部電場の影響を比較的受けにくいK(カリウム)原子を用いるのが良い。この方向に沿った研究の進展が現在行われている。
現在までに得られた成果により、特に以下のような関連学会への貢献が考えられる
リドベルグ原子を用いたマイクロ波単一光子検出器の極低温での利用を実現したことにより、特に高い質量領域(10μeV(マイクロエレクトロンボルト)~30μeV(マイクロエレクトロンボルト))におけるアクシオンの探索がより早く精度良く実行することが可能になった。 一方、ダークマター探索だけでなく、他の研究にも利用できる道が開けたと考えている。例えば、宇宙のブラックホールの諸現象などにも深く関係すると予想されている「動的カシミア効果」の検証実験などへの応用が考えられる。
10mK(ミリケルビン)領域でも使えるフィールドイオン化装置を開発したことにより、量子エレクトロニクスの分野における研究、例えば空胴量子電気力学の研究範囲が拡張できることになった。これは、種々の重要な研究がさらに可能になったことを意味しており、幾つかのグループがこの領域で実際に研究に従事し始めている。
基礎物理研究に従事している他の研究グループにより実際に利用されるようになった幾つかの実験技術が得られている。
極低温(10mK(ミリケルビン)領域)でフィールドイオン化電子の検出にチャンネルトロン電子増倍管を利用する手法を開発したが、この方法を参考にして外国のグループがイオン化電子検出を低温で行い始めている。
外部からマイクロ波共振空胴の周波数を調整する為に、低温でも良好な特性の落ちないケブラー糸を使う手法を開発したが、これを外国の他のグループも利用し始めている。
他に、NHK番組:「サイエンスZERO」(教育チャンネル)で、2007年5月5日放送(何回かの再放映あり)の「宇宙を満たす暗黒物質の謎」で、京都大学・低温物質科学研究センターにおけるアクシオン探索研究が紹介された。
共同研究者である舟橋春彦氏は、大阪電気通信大学の准教授に昇進して、研究に励んでいる。3年間研究グループにポスドクとして参加した長谷山智仁氏は、その後理化学研究所に移動し、次いでレーザー関連の会社に就職して、活躍している。
大学院の修士・博士課程に在籍して、本研究に参加した院生は全員で10名になる。6名は博士の学位、4名は修士の学位を取得した。
そのうち、現在助教(特認助教を含む)として他研究期間に所属して研究に従事している旧院生は5名、他期間のポスドクに従事している者は1名、会社に就職している者は4名で、それぞれ大いに活躍している。
特に、助教・ポスドクとして研究に従事している旧院生(6名)のうち5名は、非加速器素粒子・宇宙物理関連実験の研究(東京大学宇宙線研究所1名、高エネルギー加速器研究機構2名、大阪大学理学研究科1名、東北大学ニュートリノ研究センター1名)を行っており、本研究に関与した経験を十分に生かしていると考えられる。本研究代表者として、大変嬉しい状況である。
-- 登録:平成21年以前 --