Search for X-ray photon-photon scattering using X-ray Free Electron Laser

使用 X 射线自由电子激光器搜索 X 射线光子-光子散射

• 批准号: 15J00509
• 负责人: 山道 智博
• 金额: $ 2.18万
• 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: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J00509/
• 关键词: 光子光子散乱; アクシオン様粒子; 量子電磁力学(QED)

光子光子散乱実験を発展させるアプローチとして、固体結晶中の強電場を構成する仮想光子とX線を用いた新粒子探索実験に関し研究を行った。結晶中電場の仮想光子とX線を衝突させると、素粒子標準理論を超える物理から予言される未知粒子の一つであるアクシオン様粒子(ALP)が存在する場合、X線がALPに変換される可能性がある。本研究では結晶による変換を、ALP質量を考慮・X線動力学的回折理論を用いて初めて厳密に計算し、X線放射光施設にてALP探索実験を行った。実験セットアップは以下の様になる。シリコン単結晶から二枚の薄い刃を削り出したチャンネルカット結晶に、X線ビームを照射する。刃内で変換されたALPを遮光壁に通し、変換されなかったX線を除いた後二枚目の刃でX線に逆変換し検出器で測定する。壁越しに光子が伝播する事象を探索する手法は、ALPの地上探索実験に用いられてきたが、この実験手法は光子・ALPの変換に先行実験の様な磁場でなく電場を用いている点が新しい。また、探索するALP質量は入射X線の結晶に対する入射角に依存し、磁場を用いた場合と異なり結晶を回転させるだけで簡単に掃引することが可能である。探索質量は入射角を大きく取ることで最大1keVまで大きくすることができ、先行実験では効率的に探索されてこなかった重たいALPを探索できる。この実験手法を用いて、SPring-8 BL19LXUビームラインにて2017年10月にビームタイムを取得し実験を行った。この実験では有意な信号を得ることは残念ながらできなかったが、得られた結果から、重たいALPに対して地上実験としては最も厳しい制限を課すことができた。

作为开发光子光子散射实验的一种方法，我们使用虚拟光子和X射线对新的粒子搜索实验进行了研究，这些光子和X射线构成了固体晶体中强的电场。当X射线与晶体电场中的虚拟光子碰撞时，如果有轴突样颗粒（ALP），则可以将X射线转换为ALP，这是基本粒子标准理论以外的物理学预测的未知粒子之一。在这项研究中，考虑到ALP质量并在X射线同步辐射设备上进行ALP搜索实验，使用X射线动态衍射理论严格计算了晶体的转化。实验设置将如下：X射线梁被照射到已从硅单晶的两个薄叶片上雕刻而成的通道切割晶体上。刀片内部转换后的ALP通过轻屏蔽墙，卸下任何未转换的X射线，然后用第二叶片转换回X射线，然后用检测器进行测量。在ALP的地面搜索实验中使用了搜索光子通过壁传播的事件的方法，但是该实验方法使用电场而不是磁场，类似于以前的实验，以转换光子和ALP。此外，搜索的ALP质量取决于入射X射线与晶体的入射角，并且与使用磁场的情况不同，可以简单地简单地旋转晶体来轻松扫描晶体。通过增加入射角，可以将搜索量增加到最大1 keV，从而可以搜索搜索以在先前实验中没有有效搜索的重型阿尔卑斯山。使用这种实验技术，在2017年10月在Spring-8 BL19LXU梁线上获得了光束时间，并进行了实验。不幸的是，该实验不允许明显的信号，但是获得的结果表明，重型阿尔卑斯山的严格限制可以施加在地面实验上。

项目成果

Theoretical calculation of coherent Laue-case conversion between x-rays and ALPs for an x-ray light-shining-through-a-wall experiment

X 射线穿墙实验中 X 射线和 ALP 之间相干劳厄案例转换的理论计算

• DOI: 10.1103/physrevd.96.115001
• 发表时间: 2017
• 期刊: Physical Review D
• 影响因子: 5
• 作者: T. Yamaji;T. Yamazaki;K. Tamasaku;and T. Namba
• 通讯作者: and T. Namba

SPring-8/SACLAにおける光子光子散乱の探索

在 SPring-8/SACLA 搜索光子散射

• 发表时间: 2016
• 作者: T. Yamaji;T. Inada;T. Yamazaki;T. Namba;S. Asai;T. Kobayashi;K. Tamasaku;Y. Tanaka;Y. Inubushi;K. Sawada;M. Yabashi;T. Ishikawa;Bruno Victorino Sarli and Yasuhiro Kawakatsu;山道智博;Bruno Victorino Sarli and Yasuhiro Kawakatsu and Tomoko Arai;山道智博
• 通讯作者: 山道智博

An experiment of X-ray photon-photon elastic scattering with a Laue-case beam collider

劳厄箱光束对撞机X射线光子-光子弹性散射实验

• DOI: 10.1016/j.physletb.2016.11.003
• 发表时间: 2016
• 期刊: Physics Letters B
• 影响因子: 4.4
• 作者: T. Yamaji;T. Inada;T. Yamazaki;T. Namba;S. Asai;T. Kobayashi;K. Tamasaku;Y. Tanaka;Y. Inubushi;K. Sawada;M. Yabashi;T. Ishikawa
• 通讯作者: T. Ishikawa

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

使用劳厄型通道切割晶体搜索弱耦合未知粒子

• 发表时间: 2017
• 作者: T. Yamaji;T. Inada;T. Yamazaki;T. Namba;S. Asai;T. Kobayashi;K. Tamasaku;Y. Tanaka;Y. Inubushi;K. Sawada;M. Yabashi;T. Ishikawa;Bruno Victorino Sarli and Yasuhiro Kawakatsu;山道智博
• 通讯作者: 山道智博