Precise determination of the muon mass by high-precision Rabi-oscillation spectroscopy of the hyperfine structure of muonium atoms
| Project/Area Number |
21H04463
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鳥居 寛之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (20302838)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神田 聡太郎 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, 助教 (10800485)
西村 昇一郎 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, 特別助教 (20836431)
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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥42,640,000 (Direct Cost: ¥32,800,000、Indirect Cost: ¥9,840,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000)
Fiscal Year 2021: ¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000)
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| Keywords | ミュオニウム原子 / 超微細構造 / 強磁場 / マイクロ波分光 / Rabi振動分光 / 空洞共振器 / NMRプローブ |
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| Outline of Research at the Start |
ミュー粒子（ミュオン）と電子からなるミュオニウム原子の基底状態超微細構造を強磁場中でマイクロ波分光する。分光精度 2 ppb、ミュー粒子の磁気モーメントおよび質量の決定精度 15 ppb を目指す。J-PARC 加速器施設で供給される大強度ビームを利用し、ゼロ磁場での測定のノウハウを生かしつつ、新たに編み出したRabi振動分光法を活用することで、統計的にも系統的にも不確かさの抑制が期待できる。従来の精度を一桁凌駕することで、原子束縛系におけるこれまでの量子電磁力学の検証を超えて、電弱相互作用の効果を観測でき、更には素粒子標準理論を超えた新物理の探索が見通される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は正電荷ミュオンと電子のクーロン束縛系であるミュオニウム原子について、基底状態の超微細構造をマイクロ波によるRabi振動分光を駆使して世界最高の 2 ppb の精度で分光し、ミュオンの磁気モーメントおよび質量を決定することを目指している。
強磁場環境での測定では 1.7 T や 2.9 T の静磁場中でのゼーマン分裂を利用する。先に実験する 1.7 T の磁場中では、既存の円筒形空洞共振器を使う。これは、ゼーマン分裂した準位間で測定すべき２本の遷移周波数の比が、円筒形共振器の２つのモードとの比に一致する特徴をもった磁場強度だからである。一方、更に精度向上が期待できる 2.9 T の磁場中においては、円筒形ではだめで、縦横の長さが２本のそれぞれのマイクロ波波長に対応するような方形共振器の開発が必要となる。本年度の研究期間において、2.9 T の強磁場中で使うためのマイクロ波空洞共振器をシミュレーションを駆使して設計したのち、電子ビーム熔接の技術を用いることで 10 mm と薄い壁厚を実現した原型を製作して完成させた。ベクトルネットワークアナライザーを利用してモード特性を測定し、２つのモード TM210 と TM120 について周波数掃引に応じて共振周波数を調整するための tuning bar を動かすことにより、必要な周波数帯域が確保されていること、また熔接に伴うわずかな歪みによる共振周波数のずれも補正できていることが確認された。共振の鋭さを表す Q値も30000と優れた値を示した。
また、1.7 T の超伝導磁石を新たに建設された H ライン実験室に設置し、そこでの励磁試験を行なった。また、プローブの作る局所磁場が全体の磁場に影響を与えない程度までにシールドした磁場空間分布測定器が完成し、これを使って強磁場における磁場空間分布の一様性を測定すべく、調整を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ミュオニウム原子のマイクロ波分光実験を強磁場中でいよいよ本格的に開始する予定であったが、ミュオンビームを供給する J-PARC 加速器施設において、大強度ミュオン H ビームラインの完成の遅れに加えて、二度の火災が生じ、予定されていたビームタイムが二回とも中止となってしまい、追加で半年の延期を余儀なくされた。とは言え、ビーム実験を待つ間にも、2.9 T の強磁場中で使うためのマイクロ波空洞共振器を設計・製作をして完成させ、その周波数特性などの測定も完了させ、結果は良好である。また、磁場測定のための NMR プローブを完成させた。施設もようやく復旧して我々の実験グループもミュオン H ビームラインからの大強度ビームで実験を開始できる目処がついた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ミュオン H ビームラインから実験ユーザー向けに高統計の大強度ビームの供給が始まり、今後強磁場中の調整を進めて、いよいよ強磁場中におけるミュオニウム分光実験を開始する。これまでに準備してきた24チャンネルのNMRプローブを駆使し、1.7 T 磁場中における磁場分布を高精度に測定して磁場空間分布の一様性を担保する。まずは信号の観測、次に測定の不確かさにおける系統的要因を、ビームの静止位置分布（すなわちミュオニウム生成位置分布）、マイクロ波強度の周波数依存性と空間分布、陽電子検出器の検出効率の時間・空間依存性・磁場依存性、などひとつずつ検証しながら、周波数掃引による共鳴曲線を描く標準的な分光法からはじめて、長寿命成分に着目する old muoniu 法、そして Rabi 振動分光法へと発展させつつ、分光精度向上に取り組む。
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Report
(3 results)
Research Products
(26 results)
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[Journal Article] New beamlines and future prospects of the J-PARC muon facility2023
Author(s)
T. Yamazaki, N. Kawamura, K. Shimomura, Y. Miyake, Y. Oishi, T. Adachi, P. Strasser, A. Koda, H. Fujimori, T. Yuasa, Y. Ikedo, Y. Kobayashi, K. Sasaki, T. Mibe, T. Ushizawa, Y. Higashino, D. Nagao, M. Aoki, K. Hase, S. Kaneko, R. Tagawa, T. Uematsu, Y. Seiya, S. Uetake, T. Masuda, H. Tada, S. Sugiyama, and K. Suzuki
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Journal Title
EPJ Web Conf. 282
Volume: 282
Pages: 01016-01016
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] 高磁場環境でのミュオニウム超微細構造精密測定に向けた精密磁場調整システムの試験2023
Author(s)
多田紘規, 福村省三, 阿部充志, 平石雅俊, 岩井遼斗, 神田聡太郎, 西村昇一郎, 岡部博孝, 佐々木憲一, Patrick Strasser, 下村浩一郎, 手島菜月, 鳥居 寛之, 山崎高幸, MuSEUM Collaboration
Organizer
日本物理学会 2023年春季大会
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