レーザー精密分光によるミュー粒子質量の測定

• Project/Area Number: 21K13944
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 今井 康貴 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (30888342)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 素粒子実験 / ミューオニウム / 高出力光源 / Yb添加ファイバ増幅器 / レーザー精密分光 / 周波数測定 / 高出力光源開発

Outline of Research at the Start

本研究では電弱統一理論の検証および新物理の探索へ向け、素粒子のみからなる水素様純レプトン原子ミューオニウムの1S-2S遷移の精密分光を行う。Yb添加ファイバー増幅器を用いた1S-2S遷移2光子励起用高出力光源を開発し、先行研究より3桁小さい不確かさ10 kHzでの1S-2S遷移周波数の測定を目標とする。これにより、基礎物理定数であるミュー粒子質量の決定精度を向上させ、電弱スケールの新物理探査を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、水素様純レプトン原子ミューオニウムの1S-2S遷移の精密分光により、基礎物理定数であるミュー粒子質量の決定精度を向上させることを目標とする。ミュー粒子は強い相互作用(QCD)の影響を受けないため、その物理定数の精密測定は量子電磁力学(QED)のみならず、電弱スケールの新物理の探索へともつながる。現在ミュー粒子に関する基礎物理定数の不確かさは、その質量決定精度に由来する不確かさにより大きく制限されている。近年、著しい進展を見せるレーザー原子分光技術を駆使しミューオニウムの分光を行い、電弱統一および新物理の効果を精密に検証するツールとしての可能性を拓く。
本研究では、1S-2S遷移精密分光用の244 nm高出力CW励起光源の開発を進め、基本波光源である976 nm高出力光源の開発を行った。これまでに、シミュレーションによるファイバ長、増幅率の試算等を行いYb添加ファイバ増幅器の開発を進め、976 nm光源の高出力化にある程度成功していたが、photodarkening等により増幅器の出力が減衰していく問題が生じていた。今回、母材にりん珪酸塩ガラスを用いたYb添加ファイバを使用することでphotodarkeningを抑制したYb添加ファイバ増幅器を開発し、出力変動を抑えることに成功した。現在、さらなる高出力化に向けた多段化Yb添加ファイバ増幅器の開発を進めており、目標である10 W程度の出力が達成可能であることを確認した。
また、J-PARCにおいてパルスレーザーを用いたミューオニウム1S-2S分光実験を行い、1S-2S遷移の観測に成功した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

Yb添加ファイバ増幅器の出力が減衰していく等の問題があったものの、当初の予定通り976 nm光源の高出力化を進め、10 Wクラスへの増幅の目処がたった。しかし、高出力化に必要な素子の調達に時間がかかるため、若干の遅れが見込まれる。

Strategy for Future Research Activity

Yb添加ファイバ増幅器の開発を進め、10 Wクラスへの高出力化を行う。976 nm高出力光源開発後は、第四高調波発生部の開発に取り掛かる。また同時に976 nm光の線幅狭窄化、および周波数安定化を行う。244 nm高出力CW励起光源の開発が完了次第J-PARCに装置を搬入し、ミューオニウムの分光実験に取り掛かる。

Research Products

• [Presentation] ミューオニウム1S-2S遷移パルスレーザー分光実験およびCWレーザー精密分光実験に向けた研究開発 (2022)
  • Author(s): 今井康貴, 足立泰平, 原秀明, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, 下村浩一郎, Patrick Strasser, 鈴木一仁, 植竹智, 山基真佑, 山崎高幸, 吉田光宏, 吉村浩司, Ce Zhang
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] ミューオニウム1S-2Sパルスレーザー分光 (2022)
  • Author(s): 山基真佑, 原秀明, 今井康貴, 植竹智, 足立泰平, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, Patrick Strasser, 下村浩一郎, 鈴木一仁, 山崎高幸, 吉村浩司, 吉田光宏, Ce Zhang
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Yb原子のレーザー冷却・量子操作のための1112nmファイバーアンプ開発 (2022)
  • Author(s): 原秀明, 今井康貴, 植竹智
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] ミュオニウム1s-2s遷移レーザー分光実験に向けた新実験エリア「Ｓ２」のコミッショニング (2022)
  • Author(s): 足立泰平, 原秀明, 平木貴宏, 池戸豊, 今井康貴, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, 下村浩一郎, Patrick Strasser, 鈴木一仁, 植竹智, 山基真佑, 山崎高幸, 吉田光宏, 吉村浩司, Ce Zhang
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] J-PARC muon g-2/EDM実験のためのイオン化レーザーの開発 (2022)
  • Author(s): 上岡修星, 吉田光宏, 三部勉, Ce Zhang, 原秀明, 平木貴宏, 今井康貴, 増田孝彦, 宮本祐樹, 植竹智, 山基真佑, 吉村浩司, 鈴木一仁, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] ミューオニウム1S-2Sレーザー分光のためのパルスTi:Sレーザー開発Ⅱ (2021)
  • Author(s): 山基真佑, 原秀明, 今井康貴, 植竹智, 足立泰平, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, Patrick Strasser, 下村浩一郎, 鈴木一仁, 山崎高幸, 吉村浩司, 吉田光宏, Ce Zhang
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] J-PARC muon g-2/EDM実験のためのイオン化レーザーの開発 (2021)
  • Author(s): 上岡修星, 吉田光宏, 三部勉, Ce Zhang, 原秀明, 平木貴宏, 今井康貴, 増田孝彦, 宮本祐樹, 植竹智, 山基真佑, 吉村浩司, 鈴木一仁, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会