Cosmological Research in Axion Physics: Phenomenology of Parity-Violation in Polarized Photon

轴子物理中的宇宙学研究：偏振光子宇称破缺现象学

• 批准号: 19K14702
• 负责人: 小幡 一平
• 金额: $ 2万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-11-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K14702/
• 关键词: 宇宙論; アクシオン; インフレーション; 暗黒物質; 暗黒エネルギー; 原始重力波; 重力波干渉計; 光子（ゲージ場）

本研究の目的は、未発見の素粒子であるアクシオンが引き起こす光子のパリティ対称性の破れに着目し、宇宙論の枠組みで将来の実験観測から検証を行える手段を開拓することである。当該年度に実施した本研究に関する課題について、主に以下の3つを遂行することができた。（１）最新のCMB観測データを用いたアクシオンインフレーション模型の制限：アクシオンが宇宙初期に光子の様なゲージ場と結合していると、ゲージ場の偏光一成分が増大して原始密度揺らぎや重力波を生成し、CMB実験で観測できる可能性がある。私は国内外の共同研究者らと協力し、PlanckとBICEP/Keckの最新のデータを使ってアクシオン模型のパラメータ領域の制限を行った。この成果は国際的な科学雑誌であるJCAPに掲載された。（２）CMB偏光の複屈折効果を用いたアクシオン探査：近年、Planck衛星のデータからCMBの偏光面が宇宙進化の過程で回転している（複屈折効果）兆候が得られ、素粒子の標準模型では説明できない新物理の存在を示唆している。この結果を受け、私は超弦理論由来のアクシオンが宇宙の暗黒エネルギーを担っている場合にこの観測結果を説明できる可能性があることを共同研究者と提唱した（JCAP掲載済み）。（３）Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment（DANCE）実験の初めての測定結果：2021年5月にDANCEのプロトタイプ実験の最初の測定がなされ、得られたデータから信号や雑音の抽出・解析をし、アクシオン暗黒物質と光子の結合定数の探索を実験チームらと行なった。得られた制限は当初の目標感度に比べると小さいものの、この成果は強磁場を用いない光共振器によるアクシオン観測では史上初の実験結果である。この研究成果は現在、科学雑誌であるPhysical Review Dに投稿中である。

这项研究的目的是集中研究轴子（未被发现的基本粒子）引起的光子宇称对称性的破坏，并开发一种方法通过未来在宇宙学框架内的实验观测来验证这一点。今年的研究工作，我们主要完成了以下三项工作。 （1）利用最新CMB观测数据的轴子暴胀模型的局限性：如果轴子与早期宇宙中的光子等规范场耦合，则规范场的偏振分量增加，导致原初密度涨落和引力。它可能会产生可以在宇宙微波背景实验中观察到的波。我与国内外合作者合作，利用 Planck 和 BICEP/Keck 的最新数据限制了轴子模型的参数范围。该成果发表在国际科学杂志JCAP上。 （2）利用CMB偏振的双折射效应进行轴子探测：近年来，普朗克卫星的数据显示，CMB的偏振面在宇宙演化过程中发生了旋转（双折射效应），使其成为标准这表明存在无法用模型解释的新物理学。基于这个结果，我和我的同事提出，如果源自弦理论的轴子是宇宙中暗能量的原因（发表在 JCAP 上），那么这个观察结果就可以得到解释。 （3）暗物质轴子搜索与环腔实验（DANCE）实验的首次测量结果：DANCE原型实验的首次测量于2021年5月进行，从获得的数据中提取信号和噪声并进行分析。研究小组随后寻找轴子暗物质和光子之间的耦合常数。尽管与原始目标灵敏度相比获得的极限很小，但这一结果是使用不使用强磁场的光学腔进行轴子观测历史上的第一个实验结果。这项研究的结果目前正在提交给科学杂志《Physical Review D》。

项目成果

DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment

舞蹈：利用环形腔实验进行暗物质轴子搜索

• DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012032
• 发表时间: 2020
• 期刊: Journal of Physics: Conference Series
• 作者: Michimura Yuta;Oshima Yuka;Watanabe Taihei;Kawasaki Takuya;Takeda Hiroki;Ando Masaki;Nagano Koji;Obata Ippei;Fujita Tomohiro
• 通讯作者: Fujita Tomohiro

Cosmic birefringence from monodromic axion dark energy

• DOI: 10.1088/1475-7516/2022/08/025
• 发表时间: 2022-03
• 期刊: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
• 影响因子: 6.4
• 作者: S. Gasparotto;Ippei Obata

New constraints on axion-gauge field dynamics during inflation from Planck and BICEP/Keck data sets

普朗克和 BICEP/Keck 数据集暴胀期间轴子规范场动力学的新约束

• DOI: 10.1088/1475-7516/2022/07/039
• 发表时间: 2022
• 期刊: JCAP
• 作者: Paolo Campeti;Ogan Ozsoy;Ippei Obata;Maresuke Shiraishi
• 通讯作者: Maresuke Shiraishi

Implications of the cosmic birefringence measurement for the axion dark matter search

• DOI: 10.1088/1475-7516/2022/09/062
• 发表时间: 2021-08
• 期刊: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
• 影响因子: 6.4
• 作者: Ippei Obata

Probing axions with the measurements of photon's birefringence

通过测量光子双折射来探测轴子

• 发表时间: 2023
• 作者: 中野 貴文;岡野 志のぶ;入江 圭一;森本 麻友香;山下 郁太;佐藤 朝光;仲村 佳彦;佐野 和憲;江川 孝;三島 健一;Tsuji Kaoru;Ippei Obata
• 通讯作者: Ippei Obata