標準理論を超えた理論の中には、光子と弱い結合をもつ軽い粒子の存在を予言する物がいくつかあります。たとえばアクシオンやパラフォトン、ディラトンなどです。これらの粒子は(もし存在すれば)加速器で到達し得ない非常に高いエネルギーの物理を反映していると考えられ、その探索を通して高エネルギーでの未知の物理現象を探ることができます。われわれは、放射光施設、SPring-8/SACLAの強力なX線を利用して、そのような粒子の探索を行っています。

探索は、「壁を通り抜けてくる光」を探すことによって行います。光が未知の弱結合粒子に変換されると、その粒子は普通の壁を通り抜ける事ができます。壁を通り抜けた後で再び光に変換して観測することで、媒介した未知粒子を検出する手法です。変換の手法は、探索する未知粒子によって異なります。例えばパラフォトンと呼ばれる粒子は、伝播に伴って勝手に変換されます。また、アクシオンと呼ばれる粒子は強い磁場や電場によって変換されます。

われわれはこれまで、SPring-8のBL19LXUビームラインにおいて、3種類のユニークな手法で探索をおこないました。1つめは、単に真空パイプ中での変換を利用したパラフォトン探し、2つめは、強力なパルス磁石で変換をおこすアクシオン探し、3つめは、結晶中の周期電場を利用したアクシオン探しです。いずれの探索も未知粒子の発見には至りませんでしたが、未知粒子の存在に対して世界でもっとも厳しい実験的制限を得ることができました。特に、比較的エネルギーの高いX線を利用しているため、重い未知粒子に対して厳しい制限をつけています。下の絵は、横軸がアクシオンの質量、縦軸がアクシオンと光子の結合の強さをあらわしています。結晶の周期電場を用いた探索により、青い斜線の部分に制限をつけることができました。

発表資料

• Axion-like particle searches at SPring-8 synchrotron facility, (T. Namba, 1st Workshop on New Light Physics and Photon-beam Experiments, 2021/3/9, online)
• ラウエ型チャンネルカット結晶を用いた弱結合未知粒子の探索, (難波俊雄、日本物理学会第73回年次大会、2018 年 3 月 25 日、東京理科大学)
• High magnetic fields for fundamental physics, (T. Inada, et al., Physics Reports 765(2018)1, arXiv: 1803.07547)
• Search for Axion Like Particles using Laue-case Conversion in a Single Crystal, (T. Yamaji, et al., Phys. Lett. B 782(2018)523-527, arXiv: 1802.08388)
• Search for Axion Like Particles using Laue-case Conversion in a Single Crystal, (山道智博、2017年度博士論文)
• ラウエ型チャンネルカット結晶を用いた弱結合未知粒子の探索, (山道智博、日本物理学会2017年秋季大会、2017 年 9 月 15 日、宇都宮大学)
• Theoretical Calculation of coherent Laue-case conversion between X rays and ALPs for an X-ray LSW experiment, (T. Yamaji et al., Phys. Rev. D 96(2017)115001, 11p.p., arXiv: 1709.03299)
• Probing Physics in Vacuum using an X-ray Free-Electron Laser, a High-Power Laser, and a High Field Magnet, (T. Inada, et al., Applied science 7(2017)671, 12pages, arXiv: 1707.00253)
• LSW experiments with pulsed magnets + Vacuum Magnetic Birefringence (VMB), (T. Inada, Workshop on HIgh MAgnetic Fields for FUNdamental Physics (HIMAFUN), 2017/5/30, University of Toulouse III, France)
• Probe into vacuum field using High-intensity X-ray Applications to the Particle Physics, (S. Asai, International Conference on X-ray Optics and Applications 2017 (XOPT’17), 2017/4/19, Pacifico Yokohama)
• Search for Two-Photon Interaction with Axionlike Particles Using High-Repetition Pulsed Magnets and Synchrotron X Rays, (T. Inada, et. al, Phys. Rev. Lett. 118(2017)071803 6pp., arXiv: 1609.05425)
• Repeating Pulsed Magnet System for Axion-like Particle Searches and Vacuum Birefringence Experiments, (T. Yamazaki, et. al, NIM A 833(2016)122-126, arXiv: 1604.06556)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索I, (山崎高幸、日本物理学会第71回年次大会、2016 年 3 月 19 日、東北学院大学)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索II, (稲田聡明、日本物理学会第71回年次大会、2016 年 3 月 19 日、東北学院大学)
• Search for axion-like particles using strong pulsed magnets at SPring-8, (稲田聡明、2015年度博士学位論文)
• 光を使って真空・時空を探る, (浅井祥仁、量子エレクトロニクス研究会「極限計測の科学と技術」、2015 年 12 月 19 日、東京大学山中寮内藤セミナーハウス)
• X線自由電子レーザーを用いて真空を探る, (山崎高幸、山道智博、稲田聡明、高エネルギーニュース Vol.34 No.2(2015)97)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索, (稲田聡明、日本物理学会2015年秋季大会、2015 年 9 月 26 日、大阪市立大学)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索I, (稲田聡明、日本物理学会第70回年次大会、2015 年 3 月 21 日、早稲田大学)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索II, (山崎高幸、日本物理学会第70回年次大会、2015 年 3 月 21 日、早稲田大学)
• 高輝度X線を用いた素粒子実験, (稲田聡明、奈良先端未来開拓コロキウム2014、2014 年 10 月 22 日、奈良先端大学)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索I, (稲田聡明、日本物理学会 2014 年秋季大会、2014 年 9 月 18 日、佐賀大学)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索II, (山崎高幸、日本物理学会 2014 年秋季大会、2014 年 9 月 18 日、佐賀大学)
• 高輝度放射光を用いた未知の素粒子探索実験, (難波俊雄、稲田聡明、浅井祥仁、日本放射光学会誌 27(2014)204-209)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索I, (稲田聡明、日本物理学会第 69 回年次大会、2014 年 3 月 28 日、東海大学)
• SPring-8/SACLAにおけるパルス強磁場を用いた弱結合未知粒子の探索II, (山崎高幸、日本物理学会第 69 回年次大会、2014 年 3 月 28 日、東海大学)
• Results of a Search for Paraphotons with Intense X-ray Beams at SPring-8, (稲田聡明、9th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs、2013 年 6 月 28 日、マインツ、ドイツ)
• SPring-8での弱結合未知粒子の探索, (稲田聡明、日本物理学会第 68 回年次大会、2013 年 3 月 28 日、広島大学)
• Results of a Search for Paraphotons with Intense X-ray Beams at SPring-8, (T. Inada, T. Namba, S. Asai, T. Kobayashi, Y. Tanaka, K. Tamasaku, K. Sawada, T. Ishikawa、Phys. Lett. B, 722 (2013) 301-304、arXiv: 1301.6557)
• SPring-8における弱結合未知粒子の探索, (稲田聡明、2012 年度修士学位論文)
• SPring-8での弱結合未知粒子の探索, (稲田聡明、日本物理学会秋季大会、2012 年 9 月 14 日、京都産業大学)
• 放射光施設を用いた弱結合未知粒子の探索, (稲田聡明、日本物理学会第 67 回年次大会、2012 年 3 月 24 日、関西学院大学)