ボウタイ型光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の広帯域探査

使用蝴蝶结光学环谐振器对轴子暗物质进行宽带探索

• 批准号: 22KJ1071
• 负责人: 藤本 拓希
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1071/
• 关键词: アクシオン; 暗黒物質; 光共振器; レーザー干渉計

現在遂行中である光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質探索実験(DANCE)において、本年度は以下の研究成果を得た。【光学素子の改良による高感度化】現在のプロトタイプ実験DANCE Act-1では、s偏光とp偏光を共振器内に同時に共振させるため、偏光ビームスプリッター(PBS)を使用した補助共振器を導入している。この補助共振器を用いた同時共振により感度を向上させられるが、PBSによるロス等によって感度を当初の予定ほど向上させられないことが明らかになっていた。そこで、PBSをDANCE Act-1の入射角である42度に対応したものに変更、また反射防止膜を施すことによって、光学ロスの低減を行い、感度を2.4倍改善することに成功した。【雑音源の特定】DANCEではアクシオン暗黒物質の信号は共振器透過光の偏光回転として現れ、これはPBSと光検出器を用いて測定することができる。偏光回転角測定の究極的な感度は光の量子性に起因した雑音であるショットノイズによって制限されるが、現実にはショットノイズよりも大きい古典的な雑音が支配的である。したがって感度向上のためには、古典的な雑音源とそのメカニズムを特定し、対処・低減することでショットノイズリミットを目指す必要がある。そこで、偏光回転角測定から得られたデータを解析することで雑音源の特定を行った。その結果、現在支配的となっている雑音源が共振器の機械振動やレーザーの周波数雑音に起因した位相雑音であることを特定した。【オフライン解析による雑音の低減】偏光回転角測定において位相雑音が支配的な雑音源であることが判明したため、位相雑音の情報を含んだフィードバック制御信号を用いてオフライン解析を行い、雑音の低減を行った。時系列データ上での引き算を行うことによって、0.1-100 kHzの周波数帯に渡って一桁以上雑音を低減することに成功した。

今年，使用光学环形谐振器进行的轴子暗物质搜索实验（DANCE）获得了以下研究成果，该实验目前正在进行中。 [通过改进光学元件实现更高的灵敏度] 在当前的原型实验 DANCE Act-1 中，引入了使用偏振分束器 (PBS) 的辅助谐振器，以便在谐振器内同时谐振 s 偏振光和 p 偏振光。 是。虽然使用该辅助谐振器的同时谐振可以提高灵敏度，但很明显，由于 PBS 造成的损失，灵敏度无法达到最初计划的提高程度。因此，通过将PBS更改为与DANCE Act-1的42度入射角兼容的PBS并应用抗反射涂层，我们成功地减少了光学损失并将灵敏度提高了2.4倍。 [噪声源的识别] 在DANCE中，轴子暗物质信号表现为穿过腔体的光的偏振旋转，可以使用PBS和光电探测器来测量。偏振旋转角测量的最终灵敏度受到散粒噪声的限制，散粒噪声是由光的量子性质引起的噪声，但实际上，比散粒噪声更大的经典噪声占主导地位。因此，为了提高灵敏度，有必要识别经典噪声源及其机制，并通过解决和减少散粒噪声来限制散粒噪声。因此，我们通过分析偏振旋转角测量获得的数据来识别噪声源。因此，我们确定当前主要的噪声源是谐振器机械振动引起的相位噪声和激光器的频率噪声。 [通过离线分析降低噪声] 发现相位噪声是偏振旋转角测量中的主要噪声源，因此使用包含相位噪声信息的反馈控制信号进行离线分析以降低噪声。通过对时间序列数据进行减法，我们成功地将 0.1-100 kHz 频段的噪声降低了一个数量级以上。

项目成果

光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索実験 DANCE (8)

DANCE (8) 利用光学环形谐振器寻找轴子暗物质的实验

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤本拓希;大島由佳;安東正樹;藤田智弘;粂潤哉 ;道村唯太; 森崎宗一郎;長野晃士;西澤篤志;小幡一平
• 通讯作者: 小幡一平

Recent Upgrades and Future Prospects of DANCE

DANCE近期升级及未来展望

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroki Fujimoto;Yuka Oshima;Masaki Ando;Tomohiro Fujita;Jun’ya Kume;Yuta Michimura;Soichiro Morisaki;Koji Nagano;Atsushi Nishizawa;Ippei Obata
• 通讯作者: Ippei Obata

Recent Upgrades of Optical System and Data Analysis in DANCE

DANCE 光学系统和数据分析的最新升级

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroki Fujimoto;Yuka Oshima;Masaki Ando;Tomohiro Fujita;Jun’ya Kume;Yuta Michimura;Soichiro Morisaki;Koji Nagano;Atsushi Nishizawa;Ippei Obata
• 通讯作者: Ippei Obata

Latest Status and Sensitivity of DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity experiment

DANCE 的最新状态和敏感性：通过环腔实验进行暗物质轴子搜索

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroki Fujimoto;Hinata Takidera;Yuka Oshima;Masaki Ando;Tomohiro Fujita;Jun’ya Kume;Kentaro Komori;Yuta Michimura;Soichiro Morisaki;Koji Nagano;Atsushi Nishizawa;Ippei Obata
• 通讯作者: Ippei Obata

光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索実験 DANCE (9)：コミッショニングおよび最新の感度

使用光学环形谐振器 DANCE 进行 Axion 暗物质搜索实验（9）：调试和最新灵敏度

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤本拓希;瀧寺陽太;大島由佳;安東正樹;藤田智弘;粂潤哉;小森健太郎;道村唯太; 森崎宗一郎;長野晃士;西澤篤志;小幡一平
• 通讯作者: 小幡一平