Quantum Chromodynamics (QCD) is the theory of the strong interactions. Although QCD has proven remarkably successful, there is a blemish called the strong CP problem. The strong CP problem is that the effective Lagrangian of QCD has CP violating term but it has not been observed yet.

Peccei and Quinn proposed an attractive solution to solve this problem. They introduced new global U(1) symmetry, Peccei-Quinn (PQ) symmetry. When PQ symmetry spontaneously breaks, a new effective term arises in QCD Lagrangian which cancels the CP violation term. The solution also predicts a new pseudo Nambu-Goldstone boson, axion.

It was originally thought that PQ symmetry breaking scale (fPQ) is at the weak interaction energy scale, fPQ~250GeV. But in this energy scale, axions have relatively strong couplings, and the original model was experimentally excluded. Since there are various experimental, astrophysical and cosmological considerations, axions survive as the invisible axiom which have higher fPQ and weaker couplings.

If an axion exists, many celestial objects (stars, compact objects, supernovae, galactic centers, gamma-ray bursts, etc.) can be good axion sources. Needless to say, the Sun is the strongest source among them. The high energy thermal plasma like the Sun emits axiom through the Primakoff effect and the axions reach the surface of the Earth. Our experiment, Tokyo Axion Helioscope (Fig.1), is one of the experiments to directly detect solar axions. To detect axions, Tokyo Axion Helioscope utilized a superconducting magnet. The magnetic field produced by it converts the solar axions into photons and X-ray detectors detect the photons. In our past experiments, we obtained the upper limit of the axion to photon coupling constant, gaγγ.

In the present experiment, we searched for solar axions with mass around 1 eV using coherent conversion of axions into photons. In order to detect axions with mass around leV, we need to make momentum transfer between axions and photons minimum. So that, we fill conversive region with dispersion-matching helium gas to give the photon effective mass of around 1eV.

We measured with 10 sets of the density of helium that has the highest probabilities when the axion mass is around 1eV.

As a result, we found the axion signal is consistent with zero within statis-tical errors in each mass region. We set 95% confidence limits on photon-axion coupling constant, gaγγ.

(1)

for the axion mass of

(2)

This result gives currently the most stringent observational limit on the existence of the solar axions in this mass region as shown in Fig.2, 3.

We shall keep searching solar axions with a wider region of the helium den-sity. At the end of this experiment, we should have similar limits on gaγγ in the mass range

(3)

Figure 1: Tokyo Axion Helioscope.

Figure 2: The exclusion plot on gaγγ to ma is plotted.

Figure 3: The upper limit of the axion to photon coupling constant, gaγ, obtained by solar axion detect experiments.

本論文は7章からなる。第1章はイントロダクションである。第2章では本研究の背景となった強い相互作用におけるCP問題と、その解決方法の提案、さらにはそこから必然的に導かれるアキシオンという粒子の存在について述べられている。この粒子は強い相互作用のCP問題を解決するだけでなく、その質量次第では宇宙の暗黒物質の候補となりうる。そのため、世界中でこの粒子を探す努力がなされて港たが未だに発見されていない。そのため論文提出者は新たな方法でアキシオンを探索する実験を行った。第3章と第4章では、その実験方法及び装置の詳細が記述されている。第5章はこの実験から得られたデータの記述、そして第6章でそこから得られたアキシオンの質量と相互作用の強さに対する上限を最終結果として記述している.第7章は本論文全体のまとめである。

理論的には、もしアキシオンの質量を与えればその相互作用の強さには陶動的にある程度の制限が付く。ところで今までの実験で得られた制限は実験の感度不足のため、質量約1電子ボルト以下の軽いアキシオンに対してこの理論的に予想されるアキシオンの質量と相互作用の強さの制限まで到達していなかった。

論文提出者は、太陽中で生成されたアキシオンを地上で強磁場を用いで光子(X線)に変換して捕らえるという実験を行った。ここで論文提出者は今までにない新たな試みとして、この強磁場中でのアキシオンからX線への変換効率を格段に上げるため、アキシオンがX線に変換されるであろう強磁場中に濃度のわかったヘリウムを入れ光子に有効質量を持たせ、アキシオンと光子の有効質量が同に場合にアキシオンが非常に効率よく光子に変換されるようにした。

この方法によって初めてアキシオンのモデルから予想される相互作用の強さで、かつ1電子ボルト以下の質量領域でアキシオンを探索することが可能になった。一方この方法では、アキシオンの質量がその実験でねらう質量と精度良く一致していなければならないため、現状ではまだ探索された質量範囲は限られている。

残念ながら本研究では有意なアキシオンの信号は観測できなかったが、モデル検証という意味からもアキシオンの質量・相互作用領域を初めて探索し、制限を与えた意義は大きい。

本論文で述べられている実験は箕輪、井上、太田、水本の4氏との共同研究として行われたものであるが、論文提出者が主体となって実験及び解析を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。