2022-12-08 産業技術総合研究所
ポイント
- 高精度原子時計の高稼働率運転の達成により暗黒物質探索を実現
- 超軽量の暗黒物質と電子との相互作用の強さに新たな知見
- 暗黒物質の解明を目指した基礎物理学に貢献
イッテルビウム(Yb)光格子時計とセシウム(Cs)原子泉時計を用いた超軽量暗黒物質の検出方法の概念図
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）物理計測標準研究部門 小林 拓実 主任研究員、高見澤 昭文 主任研究員らは、国立大学法人 横浜国立大学と共同で、イッテルビウム光格子時計とセシウム原子泉時計の2台の高精度な原子時計を用いて、宇宙に大量に存在しているものの正体が解明されていない暗黒物質(ダークマター)の探索を行いました。
産総研は、時間の単位「秒」の定義を実現するセシウム原子泉時計と、秒の再定義の候補の一つであるイッテルビウム光格子時計を長期間高い稼働率で運転し、国際的な標準時である国際原子時に貢献しています。原子時計の周波数は微細構造定数、電子質量などの基礎物理定数によって決まっており、基礎物理定数が一定不変であることが原子時計の正確さを保証しています。一方で、原子時計は基礎物理定数が本当に一定不変かを検証する実験装置であるとも言えます。
近年、暗黒物質の候補の一つとして、電子質量(約9×10-31 kg)よりも20桁以上軽い超軽量暗黒物質が提案されました。この非常に軽い暗黒物質は粒子ではなく、波として振る舞います。もし、暗黒物質の波が原子などの通常の物質と相互作用すると、基礎物理定数が周期的に変動し、それに伴い原子時計の周波数が周期的に変動すると理論的に予想されています。本研究では、イッテルビウム光格子時計とセシウム原子泉時計の周波数比データからそのような周期的な変動を探索しました。この結果、質量範囲10-58 kg〜10-56 kgの超軽量暗黒物質と電子との相互作用について、このような相互作用はないか、あるとしてもその強さは非常に弱いという知見が得られました。本成果は、暗黒物質の解明を目指した基礎物理学に貢献します。
なお、この技術の詳細は、2022年12月7日（米国東部標準時）に「Physical Review Letters」に掲載されます。
開発の社会的背景
現在、秒はセシウム原子と共鳴するマイクロ波周波数(約9.2 GHz)で定義されており、セシウム原子泉時計により16桁の精度で実現されています。マイクロ波よりも周波数の高い光(約500 THz)を用いた光格子時計は、時間の精度をさらに1~2桁向上できるため、秒の再定義の有力候補とされています。原子時計の精度がここまで上がってくると、基礎物理定数の変化を検知できる可能性が出てきます。基礎物理定数は一定不変であるとされており、仮に変化があったとしても極めて小さく、時計が狂うなどの日常生活に不都合が生じる心配はありません。一方、基礎物理定数の変化は物理学の興味深い研究対象であり、例えば、暗黒物質によって変化が引き起こされるという理論研究があります。
宇宙には、正体が未知である暗黒物質が、原子などの通常の物質よりも質量にして約5倍存在することが示唆されています。暗黒物質の正体解明は物理学の興味深い研究対象となっており、これまで幅広い質量範囲において暗黒物質の候補が提案され、望遠鏡、人工衛星、素粒子検出器、レーザー干渉計などさまざまな装置を用いた探索実験が行われてきました。本研究で着目した超軽量暗黒物質は、宇宙の構造形成の観点から、精力的に研究が行われている候補の一つです。量子力学では、電子、陽子、中性子、光子などは粒子であると同時に波の性質を持つとされています。超軽量暗黒物質では粒子よりも波の性質が顕著に現れます。もし、超軽量暗黒物質が通常の物質と相互作用すると、微細構造定数や電子質量などの基礎物理定数が周期的に変動すると予想されています。
原子時計は、この基礎物理定数の周期的な変動を高感度で検出できる能力があるため、暗黒物質研究において近年注目を集めています。光格子時計やセシウム原子泉時計といった最高精度の原子時計を用いることは、超軽量暗黒物質の検出感度を上げるために有効です。これまで2台の光格子時計の周波数比から微細構造定数の周期的な変動が探索されてきましたが、光格子時計とセシウム原子泉時計を組み合わせた探索は報告がありませんでした。この組み合わせは、光格子時計のみを用いた探索では分からない電子質量の周期的な変動に感度があります。セシウム原子泉時計は光格子時計に比べてノイズが大きいため、この組み合わせを生かすには、両方を長期間(例: 10日以上)高い稼働率で同時に運転することが重要になります。しかし、光格子時計は大変複雑な装置であるため、多くの研究機関で長期運転が困難でした。
研究の経緯
産総研は、日本の国家計量標準機関として原子時計の研究を行っており、セシウム原子泉時計、光格子時計の開発を行ってきました。これらの原子時計は計量標準機関の重要なミッションである国際原子時の校正を行っており、国際的な標準時を正確に維持する活動に貢献してきました。特に、イッテルビウム光格子時計の高稼働率運転の実績は世界トップであり(2020年11月3日 産総研プレス発表)、セシウム原子泉時計に匹敵する連続運転が可能です。産総研は、光格子時計とセシウム原子泉時計を同時に高い稼働率で比較できる、世界的に見ても稀有な機関です。今回、この技術を暗黒物質の探索研究に応用しました。
なお、本研究開発は、JSPS科研費 若手研究B(No. 15K21669, 17K14367)、基盤研究C(No. 18K04989)、基盤研究B(No. 22H01241)、基盤研究A(No. 17H01151)、JST未来社会創造事業(No. JPMJMI18A1)による支援を受けています。
研究の内容
図1に暗黒物質の探索に用いたイッテルビウム光格子時計とセシウム原子泉時計の周波数比データを示します。なるべく長い観測期間を確保するために、測定は、2020年11月17日から25日間、2021年8月2日から40日間行い、2台の同時稼働率がそれぞれ64.4％、74.5％という高稼働率の運転に成功しました。このデータに対して、さまざまな周期を仮定して正弦曲線によるフィッティングを繰り返し、ある特定の周期で大きな振幅が得られるか探索しました。データのばらつきは、主にセシウム原子泉時計のランダムなノイズによるものですが、長期運転で得られた大量のデータの平均化により、高い精度で探索を行うことが可能になりました。
図1 超軽量暗黒物質の探索に用いたイッテルビウム(Yb)光格子時計とセシウム(Cs)原子泉時計の周波数比データ。縦軸は、Yb原子の約518 THzの光周波数とCs原子の約9.2 GHzのマイクロ波周波数の周波数比(相対値)のゆらぎ。横軸の原点は、2020年11月17日。青点は測定値(1万秒平均)で、Yb/Cs周波数比の14〜15桁目がランダムにばらついていることが分かる。赤と緑の曲線は、それぞれ長周期、短周期の変動を仮定して正弦曲線によるフィッティングを行った例。これらの例で得られた振幅は小さく、周期的な変動の証拠とはいえない。
本測定データから、光格子時計とセシウム原子泉時計の周波数比が周期的に変動する証拠は得られませんでした。しかし、光格子時計とセシウム原子泉時計の長期比較という新手法を用いたため、周期10日〜298日の電子質量の変動がなく、あるとしてもその振幅は15桁目以下という知見が得られました。超軽量暗黒物質の理論では、暗黒物質と電子が相互作用すると、暗黒物質の質量に比例した周波数で電子質量が変動すると考えられています。この理論を考慮に入れて解析を行った結果、質量範囲10-58 kg〜10-56 kgにおいて、超軽量暗黒物質と電子との相互作用の強さについて探索領域を広げることに成功しました。図2は、相互作用の強さを表す結合定数を縦軸に、暗黒物質の質量を横軸にとり、これまでの実験で探索・排除された領域に色を塗った図です。赤色で塗られた部分が、本研究で初めて相互作用の可能性が排除された領域で、長期運転により先行研究では手が届かなかった非常に相互作用が弱い領域も探索できたことを示しています。暗黒物質の候補として素粒子から天体まで幅広い質量のものが提案されていますが、理論のみで質量範囲を絞り込むことが困難であるため、とにかく実験・観測で未探索領域に踏み込んでいくことが重要とされています。本成果は、原子時計の長期運転が時間標準だけでなく、基礎物理学にも貢献することを示しました。
図2 超軽量暗黒物質と電子との相互作用の強さについて、実験によりその可能性が排除された領域に色を塗った図 (色が塗られていない白色の部分は未探索領域)。縦軸は、超軽量暗黒物質に関する理論式に表れる相互作用の強さを表す結合定数。赤色は本研究、灰色は欧州の人工衛星、青色は米国の高安定光共振器と水素メーザー原子時計により排除された領域。
※本プレスリリースの図1と図2は原論文の図を引用・改変したものを使用しています。
今後の予定
今後も原子時計の高精度化、堅牢化を進めることで、本来のミッションである国際原子時への貢献を継続しつつ、暗黒物質をはじめとする基礎物理学の研究も推進していきます。
論文情報
掲載誌：Physical Review Letters
論文タイトル：Search for Ultralight Dark Matter from Long-Term Frequency Comparisons of Optical and Microwave Atomic Clocks
著者：Takumi Kobayashi, Akifumi Takamizawa, Daisuke Akamatsu, Akio Kawasaki, Akiko Nishiyama, Kazumoto Hosaka, Yusuke Hisai, Masato Wada, Hajime Inaba, Takehiko Tanabe, Masami Yasuda
用語解説
- 光格子時計
- 2001年に東京大学大学院工学系研究科の香取 秀俊 助教授(当時)によって提案された原子時計である。多数の原子をレーザー光によって空間に巧みに捕捉することで、それらの原子の共鳴周波数の同時測定が可能となるため、原子の共鳴周波数に基づく正確な時間を測定できる。現在の1秒の定義を15～16桁の精度で実現するセシウム原子泉時計に対して、18桁台までの向上が実証されている。
- セシウム原子泉時計
- セシウム原子の約9.2 GHzの共鳴周波数に基づく現在の「秒」の定義を実現する装置の中で、最高精度を持つ原子時計。セシウム原子を捕獲・冷却したのちに、噴水あるいは泉のように打ち上げる操作を行うことから原子泉方式と呼ばれる。
- 暗黒物質 (ダークマター)
- 質量を持つが、原子などの通常の物質のように光では観測できず、その正体が未知の物質。宇宙は約5％の通常の物質、約27％の暗黒物質、約68％の暗黒エネルギーから構成されている。
- 秒の再定義の候補
- 現在の秒の定義を実現するセシウム原子時計に対して、今後、その性能を上回る可能性を持つ原子時計を「秒の二次表現(secondary representations of the second)」と呼ばれるリストに入れ、秒の再定義の候補としている。現在、光を用いた原子時計としては、中性原子のストロンチウム、イッテルビウム、水銀を用いた光格子時計と、単一イオンを用いた原子時計の計10種類が秒の再定義の候補となっている。
- 国際原子時 (TAI)
- 世界中の計量標準機関などで維持されている約500台の原子時計の平均をとり、セシウム原子泉時計や光格子時計など高精度な原子時計を用いて、秒の定義に基づく校正を行った時系。1958年1月1日0時に、地球の自転に基づく時系UT2と原点を一致させてスタートした。国際原子時にうるう秒を加えることにより、国際原子時とは整数秒差を保ちつつ、地球の自転に基づく時系と近似的に一致するように調整した時系が協定世界時(UTC)である。
- 微細構造定数
- 電磁気力による相互作用の強さを表す結合定数。歴史的には、水素原子のスペクトル線の微細構造を説明するために導入された定数である。
- 基礎物理定数
- 物理法則を支配する普遍的な定数。光速度、プランク定数、微細構造定数、電子質量、万有引力定数などがある。
- 暗黒物質の候補
- 素粒子から巨視的天体にいたる幅広い質量範囲においてさまざまな候補が提案されている。素粒子物理学の理論からは、例としてWIMP(Weakly Interacting Massive Particle)、アクシオン、ディラトンと呼ばれる仮想上の素粒子が候補に挙げられている。超軽量暗黒物質はアクシオン、ディラトンの理論がベースになっており、本研究ではディラトンで構成されたものであると仮定している。
- 相互作用
- 複数の物質が互いに力を及ぼし合うこと。暗黒物質と通常の物質との間には重力による相互作用があるが、電磁気力による相互作用はないことが分かっている。電磁気力よる相互作用をしないために、望遠鏡などで光を使って暗黒物質を直接観測することができない。本研究では、ディラトンと電子との間に働く仮想的な相互作用に着目している。
- 国家計量標準機関
- 各国において、国立あるいはそれに準じる形で設置した計量に特化した研究機関。基本的には、SI基本単位(メートル、キログラム、秒、アンペア、ケルビン、モル、カンデラ)をはじめ、多くのSI単位の計量標準をその国の国家標準として開発・維持・管理する。また、SI単位の利用促進や各国の国家標準の同等性を確認する国際比較なども定期的に行っている。
お問い合わせ
産業技術総合研究所
