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High-Precision Measurement of Negative Muon Mass by Muonic Helium Atom Hyperfine Structure Spectroscopy

Research Project

Project/Area Number 21H04481
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

Patrick Strasser  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, 講師 (20342834)

Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥42,640,000 (Direct Cost: ¥32,800,000、Indirect Cost: ¥9,840,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
Fiscal Year 2021: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
Keywords負ミュオン / ミュオニックヘリウム原子 / 超微細構造
Outline of Research at the Start

本研究では、ミュオニックヘリウム原子の超微細構造を精密に測定することで、負ミュオンの磁気モーメントと質量を高精度で決定する。ミュオン(第二世代レプトン)におけるCPT不変性を、すでに正確に知られている正ミューオンの質量と負ミューオンの質量を比較することで、これまでの約百倍高い精度で検証する新しい物理学を求めている。併せて先行実験の約千倍高精度の超微細構造を測定することで、量子3体系の最新理論計算との突き合わせをおこなう。J-PARCにおける世界最高強度のパルス負ミュオンビームを利用し、光ポンピングによる高偏極ミュオニックヘリウム原子を生成する方法を組合せることで精度を上げこれを達成する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ミュオニックヘリウム原子(ヘリウム原子核、負ミュオンおよび電子の束縛状態)の基底状態における超微細構造(HFS)を精密にマイクロ波分光することで、負ミュオンの磁気モーメントと質量を高精度で決定する。正負ミュオンの質量の比較からCPT不変性を検証し、超微細構造の測定値を量子三体系の精密計算と比較して量子電磁力学を検証する。
J-PARC MLF MUSEにおける世界最高強度のパルス負ミュオンビームを利用し、ラビ振動を時間領域で解析する分光法(ラビ振動分光法)とスピン交換光ポンピングによるミュオニックヘリウム原子の再偏極技術を組み合せることで測定精度を向上させる。ゼロ磁場における超微細構造の直接測定と、高磁場中におけるゼーマン遷移の分光による間接測定を行う。
今年度はJ-PARC MLF MUSEにおいてゼロ磁場環境下での3回目のマイクロ波分光実験を行い、3気圧のヘリウム気体標的を用いてミュオニックヘリウム原子の超微細構造を測定することに成功した。この新データと昨年の2回の測定結果を組み合わせることで、ミュオニックヘリウム原子の基底状態におけるHFSを世界最高の精度で決定することに成功し、Physical Review Letters誌に発表した。
これと並行して、高圧ヘリウムセル、ルビジウムを金属蒸気化するヒーター、光ポンピングのための高出力レーザーで構成される実験装置を開発し、最初のスピン交換光ポンピング実験をMLF MUSEで実施して高偏極ミュオンヘリウム原子の生成を確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、ミュオニックヘリウム原子の再編極技術を用いて分光測定の統計精度を大幅に改善することを目指している。精密分光の測定対象として知られるミュオニウム(正ミュオンと電子との束縛状態)とミュオニック原子(負ミュオンが原子核に束縛された状態)の大きな違いは、ミュオニック原子がカスケード脱励起する過程で起こる衝突的なシュタルク混合による負ミュオンのスピン減偏極である。これにより、基底状態におけるミュオンの残留偏極がミュオニウム(50%)の場合と比較して低い(6%)。そこで、本研究ではレーザー光で電子スピン偏極したアルカリ金属蒸気とのスピン交換衝突でミュオンのスピンを偏極させる(SEOP)。この技術により分光の統計精度をほぼ10倍向上させることができる。
当該年度は研究計画の二年目にあたり、高圧ヘリウムセル、ルビジウムを金属蒸気化するヒーター、光ポンピングのための高出力レーザーで構成される実験装置を開発した。最初の偏極テスト実験をJ-PARC MLF MUSE DラインのD1エリア行い、μSR分光器を用いたミュオン崩壊電子の放出角度異方性測定によって高偏極ミュオンヘリウム原子の生成を確認した。
また、初年度に続き磁気遮蔽中でゼロ磁場におけるミュオニックヘリウム原子の基底状態HFSをD2エリアで測定した。ミュオニックヘリウム原子イオンを中性化するための電子供与源として先行実験で用いられたキセノンに代えてメタン用い、中性のミュオニックヘリウム原子を効率的に生成した。初年度に取得した高圧標的(4気圧および10.5気圧)データの解析を完了し、同時に低い標的圧(3気圧)におけるデータを追加、標的圧力のゼロ外挿によって真空中のHFSを決定した。ミュオニックヘリウム原子の基底状態HFSについて世界最高の精度を得ることに成功し、Physical Review Letters誌に発表した。

Strategy for Future Research Activity

研究計画の最終年度である次年度は、今年度の実験で有望な結果が得られたことから、SEOPによるミュオン偏極実験を継続する。ミュオンビームの標的静止効率を高めるためガラスセルを薄型化し、ルビジウムとカリウムを混合してミュオニックヘリウム原子へのスピン移行速度を向上させる手法(ハイブリッドSEOP法)を導入する。今年度の実験と同様に、μSR分光器でミュオン崩壊電子の放出角度異方性を測定することでミュオンヘリウム原子へのスピン偏極移行を確認する。再偏極後のミュオン偏極率を求め、HFS分光実験への波及効果を評価する。また、分光器の電磁石を利用して標的に磁場を印加した状態での測定も行い、SEOPによる偏極移行への影響を評価する。
さらに、J-PARC MUSE HラインのH1エリアで超伝導電磁石を用いた高磁場中の分光測定に挑戦する。既存のマイクロ波共振器を利用した実験に加えて、専用の新しい共振器の設計および製作の準備を行う。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Status of the new muonic helium atom HFS measurements at J-PARC MUSE2023

    • Author(s)
      P. Strasser, [...], R. Iwai, et al.
    • Journal Title

      J.Phys.Conf.Ser.

      Volume: 2462 Issue: 1 Pages: 012023-012023

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2462/1/012023

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Improved Measurements of Muonic Helium Ground-State Hyperfine Structure at a Near-Zero Magnetic Field2023

    • Author(s)
      P. Strasser, [...], R. Iwai, et al.,
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 131 Issue: 25 Pages: 25-22

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.253003

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Proposal for new measurements of muonic helium hyperfine structure at J-PARC2022

    • Author(s)
      Fukumura Seiso、Strasser Patrick、Ino Takashi、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Kanda Sohtaro、Kitaguchi Masaaki、Shimomura Koichiro、Shimizu Hirohiko M.、Torii Hiroyuki A.、Nishimura Shoichiro
    • Journal Title

      EPJ Web of Conferences

      Volume: 262 Pages: 01012-01012

    • DOI

      10.1051/epjconf/202226201012

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Optically Polarized Alkali Metal Cell for Muonic Helium Measurements2022

    • Author(s)
      Ino Takashi、Fukumura Seiso、Strasser Patrick、Fujita Masaki、Ikeda Yoichi、Kanda Sohtaro、Kitaguchi Masaaki、Nishimura Shoichiro、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Shimizu Hirohiko M.、Shimomura Koichiro
    • Journal Title

      Proceedings of the 24th International Spin Symposium (SPIN2021)

      Volume: 37 Pages: 021208-021208

    • DOI

      10.7566/jpscp.37.021208

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Towards Improving the Precision of the Negative Muon Mass via Muonic Helium HFS Spectroscopy (Poster)2023

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      Searching for New Physics at the Quantum Technology Frontier (2-7 July 2023, Congressi Stefano Franscini (CSF), Ascona, Switzerland)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Muonium and Muonic Helium Hyperfine Structure Precision Measurements at J-PARC MUSE2023

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      The 24th International Workshop on Neutrinos From Accelerators [NuFact 2023] (20-26 August 2023, Seoul National University, Seoul, Korea)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Status of the MuSEUM experiment2023

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      Sixth Plenary Workshop of the Muon g-2 Theory Initiative (4-8 September 2023, University of Bern, Bern, Switzerland)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Present status of spectroscopy of the hyperfine structure and repolarization of muonic helium atoms at J-PARC2023

    • Author(s)
      S. Fukumura, P. Strasser, Y.Goto, T. Ino, R. Iwai, S. Kanda, S. Kawamura, M. Kitaguchi S. Nishimura , T. Oku, T. Okudaira, H. M. Shimizu, K. Shimomura, H. Tada, H. A. Torii
    • Organizer
      International Conference on Precision Physics aInternational Conference on Precision Physics and Fundamental Physical Constants [FFK2023] (22-26 May 2023, University of Vienna, Vienna, Austria)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] New Measurements of Muonic Helium Atom Hyperfine Structure at J-PARC MUSE2022

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      Workshop on Physics of Fundamental Symmetries and Interactions [PSI2022] (16-21 October 2022, Paul Scherrer Institute (PSI), Villigen, Switzerland)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] New Muonic Helium HFS Measurements at J-PARC2022

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      The 14th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms [FPUA2022] (24-25 November 2022, Kyushu University, Ito Campus, Fukuoka, Japan & Online Hybrid Meeting)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Muonic Helium HFS Measurements2022

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      中性子・ミュオンKEK S型課題合同研究会(2022年12月15-16日、KEK、東海キャンパス & オンラインのハイブリッド会議)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] J-PARCにおけるミューオニックヘリウム超微細構造精密測定及びミューオニックヘリウム偏極用SEOP装置の開発状況2022

    • Author(s)
      福村省三, Patrick Strasser, 猪野隆, 奥隆之, 奥平琢也, 神田聡太郎, 北口雅暁, 清水裕彦, 下村浩一郎, 鳥居寛之, 西村昇一郎
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会(2022年9月6日-8日, オンライン会議)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Status of the new muonic helium atom HFS measurements at J-PARC MUSE2022

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance [MuSR2022] (August 29 - September 2, 2022, Parma University, Parma, Italy)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Muonic helium atom hyperfine splitting measurement at J-PARC2022

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      Satellite Workshop “Proton structure in and out of muonic hydrogen - the ground-state hyperfine splitting” [Muonic Atoms at PSI2022] (14-15 October 2022, PSI, Villigen, Switzerland)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] J-PARCにおけるミューオニックヘリウム超微細構造精密測定及びミューオニックヘリウム偏極用 SEOP 装置の開発状況2022

    • Author(s)
      S. Fukumura, P. Strasser, T. Ino, S. Kanda, K. Shimomura, S. Nishimura, T. Oku, T. Okudaira, M. Kitaguchi, H. M. Shimizu, H. Tada, H. A. Torii
    • Organizer
      RCNP研究会 「中性子と原子で探る基礎物理」(RCNP workshop "Fundamental Physics Using Neutrons and Atoms") (2022年8月12-13日, RCNP, 大阪大学, オンライン会議)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Towards New Precise Measurements of Muonic Helium Atom HFS at J-PARC MUSE2021

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      Workshop on Fundamental Physics Using Atoms 2021 [VIRTUAL FPUA 2021](2021年7月4-5日, KEK and RCNP, Japan, オンライン会議)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Muonic Helium HFS Measurement2021

    • Author(s)
      Patrick Strasser
    • Organizer
      中性子・ミュオンKEK S型課題合同研究会(2021年12月16-17日、名古屋大学 & オンラインのハイブリッド会議)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Measurement and development of muonic helium hyperfine structure at J-PARC2021

    • Author(s)
      Seiso Fukumura, Patrick Strasser, Takashi Ino, Takayuki Oku, Takuya Okudaira, Sohtaro Kanda, Masaaki Kitaguchi, Koichiro Shimomura, Hirohiko Shimizu, Shoichiro Nishimura
    • Organizer
      International Conference on Exotic Atoms and Related Topics [EXA2021] (13-17 September 2021, Online only meeting)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] J-PARCにおけるミューオニックヘリウム超微細構造精密測定2021

    • Author(s)
      福村省三, Patrick Strasser, 猪野隆, 奥隆之, 奥平琢也, 神田聡太郎, 北口雅暁, 清水裕彦, 下村浩一郎, 西村昇一郎
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会(2021年3月12-15日, オンライン会議)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ミューオニックヘリウム偏極用SEOP装置の開発2021

    • Author(s)
      福村省三, Patrick Strasser, 猪野隆, 奥隆之, 奥平琢也, 神田聡太郎, 北口雅暁, 清水裕彦, 下村浩一郎, 西村昇一郎
    • Organizer
      日本物理学会 2021年秋季大会(2021年9月14-17日, オンライン会議)
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      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] ミュオニックヘリウム原子を使った物理学の基本定理の検証に向けた第一歩 ~40年ぶりに世界記録を更新~

    • URL

      https://www.kek.jp/ja/press/202312281400

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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