| Project/Area Number |
19H05606
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Broad Section B
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
植竹 智 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (80514778)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山崎 高幸 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, 助教 (40632360)
下村 浩一郎 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, 教授 (60242103)
吉田 光宏 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (60391710)
吉村 太彦 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 客員研究員 (70108447)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥200,590,000 (Direct Cost: ¥154,300,000、Indirect Cost: ¥46,290,000)
Fiscal Year 2023: ¥28,210,000 (Direct Cost: ¥21,700,000、Indirect Cost: ¥6,510,000)
Fiscal Year 2022: ¥34,450,000 (Direct Cost: ¥26,500,000、Indirect Cost: ¥7,950,000)
Fiscal Year 2021: ¥52,130,000 (Direct Cost: ¥40,100,000、Indirect Cost: ¥12,030,000)
Fiscal Year 2020: ¥36,530,000 (Direct Cost: ¥28,100,000、Indirect Cost: ¥8,430,000)
Fiscal Year 2019: ¥49,270,000 (Direct Cost: ¥37,900,000、Indirect Cost: ¥11,370,000)
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| Keywords | ミューオニウム / 精密レーザー分光 / 基礎物理定数 / 電弱統一理論 / 新物理探索 / 純レプトン原子 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は，レプトンのみからなる水素様純レプトン原子：ミューオニウム (以下Mu)の精密分光により，電弱統一理論の精密検証および新物理探索を行うことを目標とする．具体的には，(1) Muの1S-2S間遷移周波数の精密二光子レーザー分光；(2) 基底状態超微細分裂の精密マイクロ波分光；(3) 荷電束縛系のエネルギー準位に電弱効果が及ぼす影響を摂動2次の項まで取り入れた高精度理論計算；の3つを行う．実験精度を先行研究より大幅に向上させ，基礎物理定数であるミュー粒子質量の決定精度を大きく向上させると共に，理論と実験の比較を通じて電弱統一理論の精密検証と新物理探索を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，最新の原子分光技術と高品質ミュー粒子生成技術，そして電弱統一理論の精密計算技術の3つを最大限に活用し，素粒子であるレプトンのみから構成される「純レプトン原子」のエネルギー準位を精密に測定する．これにより，標準理論の精密検証および電子とミュー粒子に結合する未発見の素粒子(力を媒介する粒子)探索を目指す．
令和3年度はレーザー分光のためのビームライン(S2エリア)が始動し，コミッショニングを行った．ビームラインオプティクスの最適化を進め，目標としていたミュー粒子レートである1秒あたり2×10^6個のレートを得ることに成功した．また，これまでに岡山大学やKEKつくばキャンパスで開発したレーザーシステムをJ-PARCへ移設し，再立ち上げおよび調整を行った．目標としていた出力 (2mJ@244nm) のレーザー開発が完了し，1週間に渡る連続測定も可能な長期安定度を有することも確認した．開発したレーザーシステムを用い，2022年1月よりレーザー分光実験を開始した．その結果，ラザフォードアップルトン研究所で行われた先行研究の50倍以上の信号レートで1S-2S共鳴スペクトルを得ることに成功した．ラザフォードアップルトン研究所の実験時と比べてミュー粒子ビーム強度は20倍高くなっているが，信号レートはそれを上回っており，当初の期待以上の成果が得られている．
また，基底状態超微細分裂のマイクロ波分光では，新たにラビ振動分光法という分光技術を確立し，超微細分裂の遷移周波数を160×10^-9の精度で決定した．これはゼロ磁場での分光で世界最高精度であり，論文として出版済みである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
レーザー分光のためのビームライン(S2エリア)が2021年度後期から始動したことにより，11月から3月までの4ヶ月間に計30日以上のビームタイムを確保してレーザー分光実験を開始した．ビームライン準備のために2年半の時間を要したが，それを補って余りあるビームタイムが得られており，さらに今後も確保できる見込みである．
J-PARCへ移設したレーザーシステムについては，最終調整により目標とする2mJ以上(244nm)の出力を得ることに成功した．さらに24時間連続運転で1週間にわたりデータを取ることが可能な長期安定度を有しており，当初の期待以上の高性能レーザーシステム開発に成功した．このレーザーシステムを用いたミューオニウムの1S-2Sレーザー分光実験では，先行研究であるラザフォードアップルトン研究所の結果を50倍以上上回る高い信号レートで分光スペクトルを得ることに成功した．先行研究のミュー粒子ビーム強度に比べて我々の実験では20倍のビーム強度が利用できているが，信号レートはビーム強度の増加をさらに上回っている．これは我々が開発したレーザーシステムの性能が高く，長時間安定した実験が可能となったことが大きい．
以上から，本研究課題は当初の計画以上に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は引き続きレーザー分光実験を遂行する．開発したレーザーシステムの改良を進めてさらなる長期安定度を得ると共に，ファイバー光コムを導入して励起レーザー周波数精度を向上させる．また，1S-2S分光実験での信号レートのさらなる増強も行い，高いSN比で統計誤差，系統誤差の少ないデータ測定を進める．
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| Assessment Rating |
Interim Assessment Comments (Rating)
A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.
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