high-precision experiments in atomic and molecular physics using a negative muon beam and their astrophysical application

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 18H05458
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 東 俊行 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (70212529)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 一戸 悠人 立教大学, 理学部, 助教 (30792519) ; 山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073) ; 渡辺 伸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (60446599) ; 馬場 彩 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70392082) ; 井上 芳幸 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70733989) ; 池戸 豊 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 先任技師 (90415050) ; 岡田 信二 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 協力研究員 (70391901)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥174,330,000 (Direct Cost: ¥134,100,000、Indirect Cost: ¥40,230,000); Fiscal Year 2022: ¥24,440,000 (Direct Cost: ¥18,800,000、Indirect Cost: ¥5,640,000); Fiscal Year 2021: ¥44,720,000 (Direct Cost: ¥34,400,000、Indirect Cost: ¥10,320,000); Fiscal Year 2020: ¥53,300,000 (Direct Cost: ¥41,000,000、Indirect Cost: ¥12,300,000); Fiscal Year 2019: ¥31,070,000 (Direct Cost: ¥23,900,000、Indirect Cost: ¥7,170,000); Fiscal Year 2018: ¥20,800,000 (Direct Cost: ¥16,000,000、Indirect Cost: ¥4,800,000)
• Keywords: 量子ビーム / 負ミュオン / 超伝導X線検出器 / 量子電磁力学 / X線検出器 / ガンマ線検出器

Outline of Annual Research Achievements

計画研究の当初目標は、真空中に孤立したミュオン原子から放出されるミュオン特性X線を超伝導カロリメータを導入して精密分光し、ミュオン原子のエネルギー 準位に現れる量子電磁力学(QED)効果を実験的に初めて明らかにすることであった。実績として当初の目標通りに強電場下のQED検証結果を得ることができた。
2022年度は、導入を予定していた高エネルギーX線に対応する多素子カロリメータに関して、専門的知識を有する研究協力者の転出に加え、新型コロナウイルスの 感染拡大による影響に伴って研究協力機関における外部からの研究者の受入制限により、新読み出し系に対応した硬X線用検出器開発に遅延が生じた。しかし、2023年度には順調に開発やテストが進展した。結果、2024年初頭にJ-PARCへの移設が完了し、実際に検出器を利用した負ミュオン実験を実施した。その結果、期待通りの動作を確認した。Arミュオン原子やXeミュオン原子からの40keVから120keVに至るミュオンX線観測に成功した。
一方で、2023年2月には、ミュオン原子だけでなく、ミュオンX線に現れる振動構造によるミュオン分子の直接観測にも初めて成功した。重水素D2固体標的中に、ddμというエキゾチック２原子分子イオンを生成した。ddμは、C02 計画班が取り組むミュオン触媒核融合の鍵となるエキゾチック分子である。振動スペクトルでは、ミュオンの質量を反映して物理化学理論におけるボルン・オッペンハイマー近似の破れが明瞭に観測され、少数量子多体系理論による精密計算の重要性が明らかになった。これは世界で初めてミュオン分子の存在を確認したもので、C01班との共同研究の成果である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カスラー・ブロッセル研究所(フランス)
• [Int'l Joint Research] カスラー・ブロッセル研究所(フランス)
• [Journal Article] Electronic K x rays emitted from muonic atoms: An application of relativistic density-functional theory (2023)
  • Author(s): XM Tong, D Kato, T Okumura, S Okada, and T Azuma
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 107 Issue: 1 Pages: 012804-012804
  • DOI: 10.1103/physreva.107.012804
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proof-of-Principle Experiment for Testing Strong-Field Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms: High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon (2023)
  • Author(s): T. Okumura, T. Azuma, D. A. Bennett, I. Chiu, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T. Hashimoto, R. Hayakawa, G. C. Hilton, Y. Ichinohe, P. Indelicato, T. Isobe, S. Kanda, M. Katsuragawa, N. Kawamura, Y. Kino, K. Mine, Y. Miyake, K. M. Morgan, K. Ninomiya et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 17 Pages: 173001-173001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.173001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Absolute Energy Measurements with Superconducting Transition-Edge Sensors for Muonic X-ray Spectroscopy at 44 keV (2022)
  • Author(s): Yan Daikang, Yamada Shinya et al.,
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 209 Issue: 3-4 Pages: 271-277
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02860-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application of Deep Learning to the Evaluation of Goodness in the Waveform Processing of Transition-Edge Sensor Calorimeters (2022)
  • Author(s): Y. Ichinohe et al.
  • Journal Title: J. Low Temp. Phys. Volume: - Issue: 5-6 Pages: 02719-02719
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02719-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Physics Experiments using Quantum Beams Pioneered by a Superconducting Transition-Edge Sensor Microcalorimeter Array (2021)
  • Author(s): Okada Shinji
  • Journal Title: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan) Volume: 56 Issue: 2 Pages: 65-72
  • DOI: 10.2221/jcsj.56.65
  • NAID: 130008001847
  • ISSN: 0389-2441, 1880-0408
  • Year and Date: 2021-03-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transition-Edge Sensor Optimization for Hard X-ray Applications (2021)
  • Author(s): Yan Daikang、Yamada Shinya、et al.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 31 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3059972
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamical Response of Transition-Edge Sensor Microcalorimeters to a Pulsed Charged-Particle Beam (2021)
  • Author(s): Okumura Takuma、Azuma Toshiyuki、Bennett Douglas A.、Caradonna Pietro、Chiu I-Huan、Doriese W. Bertrand、Durkin Malcolm S.、Fowler Joseph W.、Gard Johnathon D.、Hashimoto Tadashi、Hayakawa Ryota、Hilton Gene C.、Ichinohe Yuto、Indelicato Paul et al.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 31 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3067793
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Testing Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms (2021)
  • Author(s): Paul Nancy、Bian Guojie、Azuma Toshiyuki、Okada Shinji、Indelicato Paul
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 126 Issue: 17 Pages: 173001-173001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.173001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deexcitation Dynamics of Muonic Atoms Revealed by High-Precision Spectroscopy of Electronic K X Rays (2021)
  • Author(s): T. Okumura et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 127 Issue: 5 Pages: 053001-053001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.053001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Broadband high-energy resolution hard x-ray spectroscopy using transition edge sensors at SPring-8 (2021)
  • Author(s): Yamada Shinya、Ichinohe Yuto、et al.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 92 Issue: 1 Pages: 013103-013103
  • DOI: 10.1063/5.0020642
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray Spectroscopy of Muonic Atoms Isolated in Vacuum with Transition Edge Sensors (2020)
  • Author(s): Okada S.、Azuma T.、Bennett D. A.、Caradonna P.、Doriese W. B.、Durkin M. S.、Fowler J. W.、Gard J. D.、Hashimoto T.、Hayakawa R.、Hilton G. C.、Ichinohe Y.、Indelicato P.、Isobe T.、Kanda S.、Katsuragawa M.、Kawamura N.、Kino Y., et al.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 20 Issue: 5-6 Pages: 445-451
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02476-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coevolution of the Technology on Transition-Edge-Sensor Spectrometer and Its Application to Fundamental Science (2020)
  • Author(s): S. Yamada et al.
  • Journal Title: J. Low Temp. Phys. Volume: - Issue: 5-6 Pages: 418-427
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02441-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Waveform Analysis of a 240-Pixel TES Array for X-Rays and Charged Particles Using a Function of Triggering Neighboring Pixels (2020)
  • Author(s): R. Hayakawa et al.
  • Journal Title: J. Low Temp. Phys. Volume: - Issue: 5-6 Pages: 269-276
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02449-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mitigating the Effects of Charged Particle Strikes on TES Arrays for Exotic Atom X-ray Experiments (2020)
  • Author(s): Tatsuno H.、the J-PARC E62 Collaboration、Bennett D. A.、Doriese W. B.、Durkin M. S.、Fowler J. W.、Gard J. D.、Hashimoto T.、Hayakawa R.、Hayashi T.、Hilton G. C.、Ichinohe Y.、Noda H.、O’Neil G. C.、Okada S.、Reintsema C. D.、Schmidt D. R.、Swetz D. S.、Ullom J. N.、Yamada S.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 200 Issue: 5-6 Pages: 247-254
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02484-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Integration of a TES-based X-ray spectrometer in a kaonic atom experiment (2020)
  • Author(s): T. Hashimoto et al.
  • Journal Title: J. Low Temp. Phys. Volume: - Issue: 3-4 Pages: 1018-1026
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02434-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The modern era of light kaonic atom experiments (2020)
  • Author(s): C. Curceanu et al.
  • Journal Title: Rev. Mod. Phys. Volume: 91 Issue: 2 Pages: 025006-025006
  • DOI: 10.1103/revmodphys.91.025006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] New developments in muon-catalyzed fusion research by precise X-ray spectroscopy of muonic molecules (2023)
  • Author(s): S. Okada
  • Organizer: Interdisciplinary Science Conference in Okinawa; Physics and Mathematics meet Medical Science (ISCO2023)
• [Presentation] High-resolution spectroscopy of electronic K x rays from muonic atoms (2022)
  • Author(s): T. Okumura
  • Organizer: 20th International Conference on the Physics of Highly charged Ions (HCI2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muonic atom X-ray spectroscopy for QED test in strong Coulomb field (2022)
  • Author(s): S. Okada
  • Organizer: 20th International Conference on the Physics of Highly charged Ions (HCI2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超伝導転移端検出器で探るミュオン原子形成過程の電子ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 奥村拓馬
  • Organizer: 物質科学 研究討論会:基礎と応用の新展開
  • Invited
• [Presentation] De-excitation is exciting (2021)
  • Author(s): T. Azuma
  • Organizer: 36th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] De-excitation dynamics of muonic atoms revealed by high precision spectroscopy of electronic K x rays using superconducting TES microcalorimeters - an alternative approach to study highly charged ion dynamics - (2021)
  • Author(s): T. Azuma
  • Organizer: Workshop on Atomic and Molecular Physics with Ion Beam at Inter University Accelerator Centre (IUAC)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Accelerator-based physics experiments pioneered by superconducting TES microcalorimeters (2021)
  • Author(s): S.Okada
  • Organizer: Tsukuba Global Science Week 2021 (TGSW2021), Universe Evolution and Matter Origin program
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Testing quantum electrodynamics in strong fields with exotic atoms (2021)
  • Author(s): P. Indelicato 他42名
  • Organizer: International Conference on Precision Physics and Fundamental Physical Constants (FFK2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High resolution measurement of electronic K x rays from muonic atoms in metal (2021)
  • Author(s): T. Okumura 他46名
  • Organizer: Virtual International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transition-edge sensor microcalorimeter optimized for hard X-ray applications (2021)
  • Author(s): D. Yan 他26名
  • Organizer: 19th International Workshop on Low Temperature Detectors (LTD-19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Precision X-ray spectroscopy of muonic atoms to explore QED under strong electric fields (2021)
  • Author(s): S. Okada
  • Organizer: High precision X-ray measurements 2021 (XPXM2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 負ミュオンビームによる原子分子物理の精密検証と宇宙物理観測への展開 (2021)
  • Author(s): 東俊行
  • Organizer: 新学術領域研究 「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新た応用の架け橋。」第 3 回領域研究会
• [Presentation] TES 超伝導 X 線カロリメータで探るミュオン原子形成過程と基礎物理 (2021)
  • Author(s): 東俊行
  • Organizer: 新学 術領域研究 「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」第 7 回領域研究会
  • Invited
• [Presentation] 最先端超伝導検出器で探るミュオン原子形成過程の全貌 -負ミュオン・電子・原子核 の織り成すフェムト秒ダイナミクス- (2021)
  • Author(s): 東俊行
  • Organizer: 日本学術振興会超伝導エレクトロニクス 146 委員会 第 101 回研 究会
  • Invited
• [Presentation] 最先端超伝導検出器で探るミュオン原子形成過程の全貌 (2021)
  • Author(s): 東俊行
  • Organizer: 2021 年度量子ビームサイ エンスフェスタ
  • Invited
• [Presentation] 超伝導転移端センサーが拓く量子ビーム実験 (2021)
  • Author(s): 岡田信二 他
  • Organizer: 東北大学 素粒子・核物理学講座セミナー・新学術領域研究「量子ビーム応用」セミナー
• [Presentation] 超伝導検出器を用いたミュオン原子分子精密X線分光 (2021)
  • Author(s): 岡田信二 他
  • Organizer: 第 11 回 Muon 科学と加速器研究
• [Presentation] 超伝導 X 線検出器が拓くミュオンビーム実験 (2021)
  • Author(s): 岡田信二
  • Organizer: 2020 年度 量子ビームサイエンスフェスタ
  • Invited
• [Presentation] X-ray spectroscopy of muonic atoms with superconducting detectors (2020)
  • Author(s): T. Okumura
  • Organizer: Applied Superconductivity Conference 2020 (ASC 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超伝導検出器による金属内ミュオンからの電子特性 X 線の観測 (2020)
  • Author(s): 奥村拓馬 他
  • Organizer: 日本物理学会 2020 年秋季大会
• [Presentation] 超伝導検出器による金属内ミュオンから放出される電子特性 X 線の高分解能分光 (2020)
  • Author(s): 奥村拓馬
  • Organizer: 原子衝突学会
  • Invited
• [Presentation] 超伝導検出器を用いたミュオニック X 線の高分解能分光による量子電磁力学の検証 (2020)
  • Author(s): 奥村拓馬 他
  • Organizer: 原子衝突学会
• [Presentation] 超伝導転移端マイクロカロリメータを利用したミュオン原子の高分解能X線分光 (2020)
  • Author(s): 奥村拓馬 他
  • Organizer: 電気学会研究会「周波数精密計測とその応用」
• [Presentation] 超伝導転移端 X 線検出器の技術成熟化と地球外試料分析に向けた SPring-8 実験 (2020)
  • Author(s): 須田博貴 他
  • Organizer: 日本天文学会 2020 年秋季年会
• [Presentation] 超伝導検出器を用いたミュオンネオン原子の精密 X 線分光 (2020)
  • Author(s): 岡田信二 他
  • Organizer: 日本物理学会 2020 年秋季大会
• [Presentation] TES超伝導X線検出器が切り拓くミュオンビーム元素分析の展望 (2019)
  • Author(s): 東俊行
  • Organizer: 第2回 文理融合シンポジウム 量子ビームで歴史を探る -加速器が紡ぐ文理融合の地平-
  • Invited
• [Presentation] High precision spectroscopy and dynamics of atom/molecules related with astrophysics (2019)
  • Author(s): T. Azuma
  • Organizer: IPMU workshop “The cosmos at high energies”
  • Invited
• [Presentation] TESカロリメータで迫る高分解能ミュオン原子分光 (2019)
  • Author(s): 岡田信二
  • Organizer: 新学術領域「クラスター階層」&「量子ビーム応用」合同検出器ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 超伝導検出器を用いたミュオン原子の高分解能 X 線分光 (2019)
  • Author(s): 奥村拓馬, 東俊行(2nd/37), 一戸悠人(12th/37), 岡田信二(24th/37), 渡辺伸(36th/37), 山田真也 (37th/37) その他
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] Muonic Atom Experiment with Microcalorimeter at J-PARC (2019)
  • Author(s): S. Okada
  • Organizer: 16th SPARC (Stored Particles Atomic Research Collaboration) Topical Workshop
  • Invited
• [Presentation] 多素子超伝導転移端センサーが拓く量子ビームを用いた物理学実験 (2019)
  • Author(s): 岡田信二
  • Organizer: 日本学術振興会超伝導エレクトロニクス146委員会 第15回センシングシステム分科会/第18回通信・情報処理分科会 合同研究会
  • Invited
• [Presentation] X-ray spectroscopy of muonic atoms isolated in vacuum with transition edge sensors (2019)
  • Author(s): S. Okada
  • Organizer: 18th International Workshop on Low Temperature Detectors (LTD18)
  • Invited
• [Presentation] Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beam (2019)
  • Author(s): 岡田信二
  • Organizer: 新学術領域「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」研究会2019
  • Invited
• [Presentation] Precision measurements in atomic and molecular physics using a negative muon beam and its application to observations in astrophysics (2019)
  • Author(s): 東俊行
  • Organizer: 新学術領域「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」第1回領域全体会議
  • Invited
• [Presentation] 孤立した多価ミュオン原子/イオンの精密X線分光に向けて (2018)
  • Author(s): 東俊行
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会 (同志社大学)
• [Presentation] Toward Experiments on Highly-charged Muonic Atom/ion Formation and Muon Transfer Process at J-PARC (2018)
  • Author(s): S. Okada and T. Azuma
  • Organizer: 19th International Conference Physics of Highly Charged Ions (Lisbon, Portugal)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting TES calorimeter for atomic and molecular physics (2018)
  • Author(s): T. Azuma
  • Organizer: International Workshop on Atomic and Molecular Collisions (Udaipur, India)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」
• [Remarks] 理研開拓研究本部 東原子分子物理研究室
• [Remarks] 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」
• [Remarks] 理研開拓研究本部 東原子分子物理研究室
• [Remarks] 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」
• [Remarks] 理研開拓研究本部 東原子分子物理研究室
• [Remarks] 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」
• [Remarks] 理研開拓研究本部 東原子分子物理研究室
• [Remarks] 計画研究 A01 負ミュオンビームによる原子分子物理の精密検証と宇宙物理観測への展開
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/planned-research/a01/index.html