「特別推進研究」研究期間終了後の効果・効用、波及効果に関する自己評価書

  •  研究代表者氏名
    松木 征史(京都大学・化学研究所・助教授、現立命館大学・教授)
  •  研究分担者氏名
    山本 克治(京都大学・工学研究科・教授)
    舟橋 春彦(京都大学・理学研究科・助手、現大阪電気通信大学・准教授)
  •  研究課題名
    「ダークマターアクシオンの探索」
  •  課題番号
    09102010
  •  補助金交付額(直接経費のみ)
    平成9年度 68,000千円
    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

【研究期間終了後の効果・効用、波及効果に関する内容】

1.特別推進研究の研究期間終了後、研究代表者自身の研究がどのように発展したか。

(1)概要

 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。

(2)論文発表、国際会議等への招待講演における発表など

複数レフェリーによる査読のある雑誌への発表論文
  • 1)M. Shibata, T. Arai, A. Fukuda, H. Funahashi, T. Haseyama, S. Ikeda, K. Imai, Y. Isozumi,
    T. Kato, Y. Kido A. Matsubara, S. Matsuki, T. Mizusaki, R. Nakanishi, T. Nishimura, D. Ohsawa,
    A. Sawada, Y. Takahashi, M. Tosaki, S. Yamada and K. Yamamoto,
    Practical design for improving the sensitivity to search for dark matter axions with Rydberg atoms.
    J. Low Temperature Physics, 151, 1043 (2008).
  • 2)T. Haseyama, T. Arai, A. Fukuda, H. Funahashi, S. Ikeda, K. Imai, Y. Isozumi, T. Kato, Y. Kido,
    A. Matsubara, S. Matsuki, T. Mizusaki, T. Nishimura, D. Ohsawa, A. Sawada, Y. Takahashi, M. Tosaki
    and K. Yamamoto,
    A high-sensitivity microwave single-photon-detector at low temperature.
    J. Low Temperature Physics, 150, 549 (2008).
  • 3)M. Tada, Y. Kishimoto, K. Kominato, M. Shibata, S. Yamada, T. Haseyama, I. Ogawa, H. Funahashi, K. Yamamoto and S. Matsuki,
    Single-photon detection of microwave blackbody radiations in a low-temperature resonant-cavity with high Rydberg atoms.
    Phys. Lett. A349, 488 (2006).
  • 4)S. Yamada, H. Funahashi, M. Shibata, K. Kominato, Y. Kishimoto, M. Tada, T. Haseyama,
    I. Ogawa, S. Matsuki and K. Yamamoto,
    Field-ionization processes in high Rydberg states of Rb under a rotating electric field.
    Phys. Rev. A 72, 334141 (2005).
  • 5)T. Haseyama, K. Kominato, M. Shibata, S. Yamada, T. Saida, T. Nakura, Y. Kishimoto, M. Tada,
    I. Ogawa, H. Funahashi, K. Yamamoto, S. Matsuki,
    Second- and fourth-order Stark shifts and their principal-quantum-number dependence in high Rydberg states of 85Rb.
    Phys. Lett. A 317, 450 (2003).
  • 6)R. Bradley, J. Clarke, D. Kinion, L. Rosenberg, K. van Bibber, S. Matsuki, M. Mueck, P. Sikivie,
    Microwave Cavity Searches for Dark Matter Axions.
    Rev. Mod. Phys. 75, 777 (2003).
  • 7)M. Shibata, M. Tada, Y. Kishimoto, K. Kominato, T. Haseyama, I. Ogawa, S. Matsuki, S. Yamada, H. Funahashi, K.Yamamoto,
    Field-Ionization Electron Detector at Low Temperature of 10 mK Range.
    Rev. Sci. Instr. 74, 3317 (2003).
国際会議での発表
  • 1)International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kazan, Russia, August 1-7, 2007
    A high-sensitivity microwave-single-photon detector with Rydberg atoms at low temperature.
    M. Shibata et al., ; Talk presented by S. Matsuki.
  • 2)International Workshop on Low Temperature Detectors, Paris, August 22-27, 2007
    Practical design for improving the sensitivity to search for dark matter axions with Rydberg atoms.
    T. Haseyama, et al.,; Talk presented by S. Matsuki.
  • 3)International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kyoto, August 1- 6, 2006.
    A Rydberg-Atom Single-Photon Detector for Dark Matter Axions: Setup of New Machine with
    Higher Sensitivity

    S. Matsuki et al,.; Talk presented by S. Matsuki.

(3)研究費の取得状況(研究代表者として取得しているもののみ)

 研究期間終了後に取得した研究費は無い。

(4)特別推進研究の研究成果を背景に生み出された新たな発見・知見

 主として以下のような新たな知見が得られた。

1)高感度マイクロ波単一光子検出器の進展:67mK(ミリケルビン)までの低温下での検出実現

 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。

2)Rb(ルビジウム)原子のシュタルク特性と、そのダークマターアクション探索への応用

 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。

3)K(カリウム)原子とそのダークマターアクション探索への応用

 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。

4)極低温でのフィールドイオン化電子検出器

 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。

5)電場の回転がイオン化に及ぼす効果の実験的検討:浮遊電場の影響低減

 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。

6)マイクロ波検出器の応用と感度向上のアイデア

 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。

2.特別推進研究の研究成果が他の研究者による活用された状況はどうか。

(1)学界への貢献の状況

 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

a)高感度マイクロ波単一光子検出器の進展:67mK(ミリケルビン)までの低温下で実現

 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。

b)極低温下でのフィールドイオン化装置の開発

 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。

(2)論文引用状況

「研究期間中に発表された論文」
  • Y. Kishimoto, M. Tada, K. Kominato, M. Shibata, S. Yamada, T. Haseyama, I. Ogawa, H. Funahashi,
    K. Yamamoto, S. Matsuki,
    Systematic Observation of Tunneling Field-ionization in Highly Excited Rb Rydberg Atoms.
    Phys. Lett. A 303, 279 (2002).
     「Rb(ルビジウム)リドベルグ原子におけるトンネル型のフィールドイオン化を統一的に調べて、その様相、特徴を明らかにした」 引用数8件
  • M. Tada, Y. Kishimoto, K. Kominato, M. Shibata, S. Yamada, T. Haseyama, I. Ogawa, H. Funahashi,
    K. Yamamoto, S. Matsuki,
    Manipulating ionization path in a Stark map: Stringent schemes for the selective field ionization in highly excited Rb Rydberg atoms.
    Phys. Lett. A 303, 285 (2002).
     「Rb(ルビジウム)リドベルグ原子のフィールドイオン化をパルス電場で行い、準位間隔の詰まった場合でも識別が十分可能な新たな検出方法を開発した」 9件
  • M. Tada, Y. Kishimoto, M. Shibata, K. Kominato, C. Ooishi, S. Yamada, H. Funahashi, K. Yamamoto,
    A. Masaike, S. Matsuki,
    Axion Search Experiment in Kyoto.
    Proc. Int. Symposium on Nuclear Electro-weak Spectroscopy, ed. H. Ejiri (World Scientific, Singapore, 2002) , 90 (2002)
     「京都におけるアクシオン探索実験の現状を報告した」
  • M. Tada, Y. Kishimoto, K. Kominato, M. Shibata, H. Funahashi, K. Yamamoto, A. Masaike, S. Matsuki,
    CARRACK2 - a new large scale experiment to search for axions with Rydberg-atom cavity detector.
    Nucl. Phys. 72B, 164 (1999).
     「リドベルグ原子を用いてアクシオンを探索する大型装置CARRACK2の原理と装置の詳細、現状を報告した」 9件
  • K. Yamamoto, S. Matsuki,
    Quantum analysis of the Rydberg atom cavity detector of dark matter axions.
    Nucl. Phys. 72B, 132 (1999).
     「リドベルグ原子を用いたダークマターアクシオンの探索における空胴中での光子・原子・アクシオンの相互作用を理論的に解析し、実験の検出効率を求めた」 2件
  • Y. Kishimoto, M. Tada, M. Shibata, K. Kominato, C. Ooishi, S. Yamada, H. Funahashi, K.Yamamoto,
    A. Masaike, S. Matsuki,
    The CARRACK2 axion experiment.
    “Identification of dark matter in the Universe” ed. N. Spooner (World Scientific, Singapore, 1998) , 636 (1998).
     「アクシオン探索装置CARRACK2の原理と現状を報告した」
  • K. Yamamoto, S. Matsuki,
    Quantum analysis of Rydberg atom cavity detector for dark matter axion search.
    “Identification of dark matter in the Universe” ed. N. Spooner (World Scientific, Singapore, 1998) , 474 (1998).
     「リドベルグ原子を用いたアクシオン探索において重要な空胴中の光子・アクシオン・原子間の相互作用を理論解析し、実験効率を求めた」
  • M. Tada, Y. Kishimoto, M. Shibata, K. Kominato, C. Ooishi, S. Yamada, H. Funahashi, K. Yamamoto,
    A. Masaike, S. Matsuki,
    Progress in Kyoto axion search experiment.
    “Identification of dark matter in the Universe” ed. N. Spooner (World Scientific, Singapore, 1998) , 441 (1998).
     「京都におけるアクシオン探索の現状を報告した」
  • I. Ogawa, S. Matsuki, K. Yamamoto,
    Interactions of cosmic axions with Rydberg atoms in resonant cavities via the Primakoff process.
    Phys. Rev.D 53, R1740 (1996).
     「プリマコフ過程によりアクシオンを光子に転換し、リドベルグ原子により検出する探索原理を理論的に解析して、実験手法の根拠を明らかにした」 35件
  • S. Matsuki and I. Ogawa,
    Present Status of Dark-Matter Axion Search in Kyoto.
    “Dark Matter in Cosmology, Clocks and Tests of Fundamental Laws” ed. B. Guiderdoni et al. (Edition Frontieres, Paris, 1995) , 187.
     「京都におけるダークマターアクシオン探索の現状を報告した」
  • S. Matsuki, I. Ogawa, K. Yamamoto,
    Coherent Interactions of Axions with Microwave Photons in a Resonant Cavity to Search for Cosmic Axions.
    Phys. Lett. B 336, 573 (1994),
     「アクシオンを探索する一方法として、空胴中でのアクシオンと光子とのコヒーレントな相互作用を解析した」 6件
  • S. Matsuki, and K. Yamamoto,
    Direct Detection of Galactic Axions with Rydberg Atoms in an Inhibited Cavity Regime.
    Phys. Lett. B 263, 523 (1991).
     「空胴の共振周波数を共鳴からずらして、原子にアクシオンを吸収させて検出する新しい探索方法を提案した」 16件
「研究期間終了後に発表された論文」
  • M. Shibata, T. Arai, A. Fukuda, H. Funahashi, T. Haseyama, S. Ikeda, K. Imai, Y. Isozumi,
    T. Kato, Y. Kido A. Matsubara, S. Matsuki, T. Mizusaki, R. Nakanishi, T. Nishimura, D. Ohsawa,
    A. Sawada, Y. Takahashi, M. Tosaki, S. Yamada and K. Yamamoto,
    Practical design for improving the sensitivity to search for dark matter axions with Rydberg atoms.
    J. Low Temperature Physics, 151, 1043 (2008) .
     「リドベルグ原子によりアクシオン探索を行う装置で感度を決めている原因を調べ、それを改良する新たな具体的手法を述べた」
  • T. Haseyama, T. Arai, A. Fukuda, H. Funahashi, S. Ikeda, K. Imai, Y. Isozumi, T. Kato, Y. Kido,
    A. Matsubara, S. Matsuki, T. Mizusaki, T. Nishimura, D. Ohsawa, A. Sawada, Y. Takahashi, M. Tosaki
    and K. Yamamoto,
    A high-sensitivity microwave single-photon-detector at low temperature.
    J. Low Temperature Physics, 150, 549 (2008) .
     「低温下の共振空胴中で高感度にアクシオンを探索する方法の原理と、その感度限界を与える主原因、さらに現状を越える感度向上の方法を議論した」
  • M. Tada, Y. Kishimoto, K. Kominato, M. Shibata, S. Yamada, T. Haseyama, I. Ogawa, H. Funahashi,
    K. Yamamoto and S. Matsuki,
    Single-photon detection of microwave blackbody radiations in a low-temperature resonant-cavity with high Rydberg atoms.
    Phys. Lett. A349, 488 (2006).
     「低温での空胴中における熱雑音光子をリドベルグ原子を用いて検出した。測定は67mK(ミリケルビン)まで行われており標準量子限界を超える感度が得られている」 3件
  • S. Yamada, H. Funahashi, M. Shibata, K. Kominato, Y. Kishimoto, M. Tada, T. Haseyama, I. Ogawa, S. Matsuki and K. Yamamoto,
    Field-ionization processes in high Rydberg states of Rb under a rotating electric field.
    Phys. Rev. A 72, 334141 (2005).
     「回転電場下でのフィールドイオン化の様相を調べて、その振る舞いを明らかにし、イオン化電子検出における準位識別効率を上げる方策を提案した」 1件
  • T. Haseyama, K. Kominato, M. Shibata, S. Yamada, T. Saida, T. Nakura, Y. Kishimoto, M. Tada,
    I. Ogawa, H. Funahashi, K. Yamamoto, S. Matsuki,
    Second- and fourth-order Stark shifts and their principal-quantum-number dependence in high Rydberg states of 85Rb.
    Phys. Lett. A 317, 450 (2003).
     「高励起リドベルグ原子のシュタルク特性を調べ、二次、四次のオーダーのシュタルクシフトの主量子数依存性を数式化した」 4件
  • R. Bradley, J. Clarke, D. Kinion, L. Rosenberg, K. van Bibber, S. Matsuki, M. Mueck, P. Sikivie,
    Microwave Cavity Searches for Dark Matter Axions.
    Rev. Mod. Phys. 75, 777 (2003).
     「共振空胴を用いるダークマターアクシオン探索の原理と装置の詳細、従事している2グループの研究の現状を概観した」 38件
  • M. Shibata, M. Tada, Y. Kishimoto, K. Kominato, T. Haseyama, I. Ogawa, S. Matsuki, S. Yamada,
    H. Funahashi, K. Yamamoto,
    Field-Ionization Electron Detector at Low Temperature of 10 mK Range.
    Rev. Sci. Instr. 74, 3317 (2003).
     「極低温でのフィールドイオン化電子を検出する実験方法を開発し、その装置の詳細、特性と検出感度を明らかにした」 1件

3.その他、効果・効用等の評価に関する情報。

(1)研究成果の社会への還元の状況

 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。

a)極低温フィールドイオン化装置

 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。

b)ケブラー糸の低温での利用

 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。

(2)研究計画に関与した若手研究者の成長の状況

 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 --