京大、ダイヤモンド量子センサによる暗黒物質候補「アクシオン」の探査法提案

京都大学は、ダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)中心の核スピン・電子スピンとダークマターの相互作用を利用した新たな探索法を提唱。ダークマター(暗黒物質)の候補「アクシオン」に対し、探索が十分に行われていない幅広い領域で、世界最高の制限を与られることを示したと5月16日に発表した。

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  (左)ダイヤモンドのNV中心の電子スピン(オレンジ色の矢印)は磁場に非常に敏感な一方、窒素の核スピン(マゼンタ色の矢印)は低い磁気回転比のため、磁場にはそれほど敏感ではない。(右)ただし、ダークマターのアクシオン場の勾配との結合にはそのような制限がないため、核スピンの長いコヒーレンス時間を利用し、アクシオンの高感度検出に期待できるという
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  (出所:京大ニュースリリースPDF)

同成果は、京大 化学研究所のErnst David Herbschleb特定助教の水落憲和教授、米・ローレンス・バークレー国立研究所の千草颯研究員(現・マサチューセッツ工科大学研究員)、高エネルギー加速器研究機構 量子場計測システム国際拠点/素粒子原子核研究所の羽澄昌史特任教授、中央大学 理工学部の松崎雄一郎准教授、東北大学 理学部の中山和則准教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する素粒子物理学や場の理論・重力などを扱う学術誌「Physical Review D」に掲載された。

複数のダークマター候補がある中で、アクシオンは、強い相互作用のCP対称性に関する理論や「万物の理論」の候補である超弦理論からその存在が予言される未発見の軽い素粒子だ。

一般的に、ダークマターは通常物質とは重力でしか相互作用しないとされるが、極めてまれに、それ以外の相互作用もすると考えられている。たとえば、電子スピンがアクシオンのようなダークマター候補と相互作用する場合、スピンはあたかも磁場下に置かれている時と同様の振る舞いが理論的に予想されている。こうした背景から、高磁場感度を有するスピンセンサを用いることで、ダークマターの検出が期待されている。

研究チームは以前の研究において、ダイヤモンドNV中心のスピン状態を用いることで、ダークマターを幅広い領域で探索し得ることを示していた。ダイヤモンドNV中心では、室温で1個のNV中心が有するスピンを観測でき、さらに磁場、電場、温度、圧力などの高感度センサとしての応用が期待されている。センサ感度は一度に計測するNV中心の数を増やすことにより、感度を飛躍的に高められる。NV中心センサは非常に高感度な量子センサであり、広いダイナミックレンジを持つことから、ダークマター探索で幅広い領域を探索できるという利点がある。