韓国、DFSZアクシオン暗黒物質の初探索を開始(South Korea Debuts First Search for DFSZ Axion Dark Matter)

◆基礎科学研究所（IBS）内のアクシオン・精密物理学研究センター（CAPP）の韓国の研究チームは最近、アクシオンを探索するための最先端の実験装置を発表しました。同グループは、大統一理論（GUT）に由来するダイン-フィシュラー-スレドニッキ-ジニツキー（DFSZ）アクシオン暗黒物質の探索に向けた第一歩を踏み出した。また、IBS-CAPPの実験装置は、世界のどのアキシオン探索実験よりもはるかに速い探索速度を可能にした。
◆現在の物理学の知識の限界である「標準モデル」で説明できるのは、宇宙の5％に過ぎず、残りの95％は暗黒物質と暗黒エネルギーで構成されています。それだけでなく、現在の標準模型では、強いCP（電荷共役パリティ）問題などの説明にも限界がある。この問題は、量子色力学（QCD）で記述される強い力はCP対称性を破らないように見えるが、電弱力はCP対称性を少しばかり破っているという観測から生じたものである。このことは、強い力によってCP対称性が破られると予測する標準モデルと矛盾しています。
◆この問題の解決策として、アクシオンと呼ばれる仮想的な粒子の存在が提案されており、これが強い力におけるCP対称性の破れの予測値と観測値の間の不一致を解決する可能性があります。アクシオンは暗黒物質の有力な候補の一つである。
◆現在、強いCP問題を説明するために、「標準モデルを超える」2つの異なる提案が存在する。この2つのモデルの主な違いは、アクシオンと他の粒子との間の結合の種類が異なることを予測している点です。Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov」（KSVZ）モデルでは、アクシオンは主に重いクォークと結合し、「Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky」（DFSZ）モデルでは、標準モデルのクォークやレプトンとヒッグス粒子経由で結合する。
◆暗黒物質であるアクシオンは、通常の物質との相互作用が非常に弱い（あるいはほとんどない）。よく使われる方法のひとつに、マイクロ波空洞実験があります。この実験では、強い磁場を用いてアクシオン（もし存在すれば）を電磁波に変換し、受信機で検出する。検出された電磁波の周波数から、アクシオンの質量を計算することができる。
◆アクシオンの質量は未知数なので、物理学者は探索範囲を広げ、膨大な数の周波数をスキャンしなければならない。
◆IBS-CAPPグループは、ADMXで使用されている8T電磁石よりも強力な12T電磁石を使用しました。また、バックグラウンドノイズを最小限に抑えるため、実験装置は絶対零度に近い温度に保たれています。
◆IBS-CAPP実験では、より強力な磁石を使用することに加え、量子技術とより効果的な計算機手法を用いてデータのキュレーションを行った。これにより、IBS-CAPPはADMX実験の3.5倍の速度でDFSZアクシオンを探索することが可能になりました。
◆IBS-CAPPによる最新の発表では、2022年3月1日から3月18日にかけて行われたDFSZアクシオン探索のための新しいセットアップのデモンストレーションの詳細が報告されています。その結果、DFSZの感度で4.55μeV付近のアクシオン暗黒物質を除外することができたという。
◆IBS-CAPPのKO Byeong Rok研究員は、「アクシオンを発見することで、現在の標準モデルが示す宇宙の質量エネルギーの5%から32%までを理解することができます」と述べています。また、「今回の実験装置の高速性を生かし、1〜2GHzの広い周波数領域でDFSZアクシオンを高速に探索する予定です」とも述べています。