Search for muonium to anti-muonium conversion

• Project/Area Number: 22KJ3122
• Project/Area Number (Other): 21J00903 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 岩井 遼斗 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, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ミューオニウム / 精密測定 / マイクロ波分光 / 新物理 / 荷電レプトン数 / レーザー / ビーム物理 / X線検出器

Outline of Research at the Start

従来の手法では反ミュオニウムの負ミュオン崩壊から反ミュオニウム検出を行っていたが、背景事象により実験感度が厳しく制限されてきた。そこで本研究では異なる手法から探索する。一つは変換した反ミュオニウムをレーザーでイオン化し、負ミュオンだけを輸送し直接検出するという手法である。もう一つは、ミュオニウム微細構造の精密測定から、反ミュオニウムが与える微小な準位エネルギーへの寄与を調べる方法である。本研究ではJ-PARCにおける大強度パルスミュオンビームを用いて実現可能であるこれらの手法を用いて探索する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度はミュオニウム―反ミュオニウム変換事象を捉える手法開発に向け、ミュオニウムの精密分光の手法開発を行った。２０２４年に円筒形マイクロ波キャビティと外部磁場1.7 Tを用いた最初の実験が計画されており、そのために必要なマイクロ波システムやビーム輸送部を整備した。さらに将来的に実験の精度を向上させるため、箱型マイクロ波キャビティを導入して最大外部磁場強度(2.9T)で実験を行うこと提案した。箱型マイクロ波キャビティは主に電磁場シミュレーションを用いて設計を行い、溶接技術を用いた制作手法も確立し
た。実際に製作した箱型キャビティの周波数特性を測定、シミュレーションと比較することによって性能を評価した。この結果より箱型キャビティの周波数モードがミュオニウムの精密分光で利用できることを初めて示した。さらに2.9Tにおける分光実験全体のシミュレーションを構築し、十分な統計精度を得られることを示した。以上の結果は論文にまとめられて投稿された。

Research Products

• [Journal Article] Improved Measurements of Muonic Helium Ground-State Hyperfine Structure at a Near-Zero Magnetic Field (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precision muonium spectroscopy (2023)
  • Author(s): R. Iwai, et al.
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: 452 Pages: 007-007
  • DOI: 10.22323/1.452.0007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Towards muon cooling at the Paul Scherrer Institute (2023)
  • Author(s): G. Lospalluto, [...], R. Iwai, et al.,
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: 452 Pages: 009-009
  • DOI: 10.22323/1.452.0009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precise measurement of the hyperfine splitting in muonium with a high intensity pulsed muon beam at J-PARC (2023)
  • Author(s): Iwai R、Abe M、Fukumura S、Hiraishi M、Kanda S、Kawamura S、Nishimura S、Okabe H、Sasaki K、Strasser P、Shimomura K、Tada H、Teshima N、Torii H A
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Issue: 1 Pages: 012019-012019
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Status of the new muonic helium atom HFS measurements at J-PARC MUSE (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Present status of J-PARC MUSE (2023)
  • Author(s): Shimomura K、Koda A、Pant A D、Natori H、Fujimori H、Umegaki I、Nakamura J、Tampo M、Kawamura N、Teshima N、Strasser P、Kadono R、Iwai R、Matoba S、Nishimura S、Kanda S、Takeshita S、Yuasa T、Yamazaki T、Miyake Y、Kobayashi Y、Oishi Y、Nagatani Y、Ikedo Y、Higemoto W、Ito T
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Issue: 1 Pages: 012033-012033
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Scintillation detectors with silicon photomultiplier readout in a dilution refrigerator at temperatures down to 0.2 K (2022)
  • Author(s): J. Zhang, [...], R. Iwai, et al.
  • Journal Title: JINST Volume: 17 Issue: 06 Pages: P06024-P06024
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/06/p06024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Precision muonium spectroscopy (2023)
  • Author(s): R. Iwai
  • Organizer: Muon4Future workshop, Venezia, Italy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Precision muon physics at PSI and J-PARC (2023)
  • Author(s): R. Iwai
  • Organizer: Seminar at FRIB, Michigan State University, East Lansing, USA
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 将来におけるミューオニウム超微細構造精密測定へ向けた箱型マイクロ波キャビティの開発 (2023)
  • Author(s): 岩井遼斗
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] MuSEUM: Rectangular-shaped microwave cavity for future measurements of muonium HFS (2023)
  • Author(s): 岩井遼斗
  • Organizer: 第13回muon科学と加速器研究 研究会
• [Presentation] Precise measurement of the hyperfine splitting in muonium with a high intensity pulsed muon beam at J-PARC (2022)
  • Author(s): Ryoto Iwai
  • Organizer: The 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MuSEUM: Precise measurement of the hyperfine splitting in muonium at J-PARC (2022)
  • Author(s): Ryoto Iwai
  • Organizer: The 14th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2022)
  • Int'l Joint Research