Atomic physics using coherent resonance excitation of high energy heavy ions by crystal fields

Research Project

Project/Area Number	22KK0037
Research Category	Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	東俊行国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (70212529)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	中野祐司立教大学, 理学部, 准教授 (20586036) 木村直樹国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (80846238)
Project Period (FY)	2022-10-07 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000) Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2024: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2023: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000) Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	重イオン / コヒーレント共鳴励起 / 原子物理
Outline of Research at the Start	量子電磁力学(QED)の検証は，基礎原子物理学における最重要課題の一つである。このなかで，超強電場下のQEDの検証手法としては，重い原子核近傍に位置する束縛電子の結合エネルギーの精密測定が最も有望である。研究代表者は，単結晶中を通過する重イオンが感じる振動電場を利用して束縛電子を選択的に励起するコヒーレント共鳴励起を，世界に先駆けて独自に実証してきた。本研究では，この手法をドイツ・GSI/FAIRで供給される高エネルギー (45 GeV) の Li 様 (3 個の束縛電子を伴う) U89+イオンに適用し，分光ペクトルからQED効果をこれまでにない精度で観測する。
Outline of Annual Research Achievements	量子電磁力学の検証は，基礎原子物理学における最重要課題の一つである。超強電場下の QEDは理論的な取り扱いの困難さから長年にわたって注目されてきた。これを対象とする実験手法として，重い原子核近傍の領域に位置する束縛電子の結合エネルギーを精密測定することによる束縛状態 QED (BSQED)の検証が有望である。研究代表者は，単結晶中を通過する重イオンが感じる振動電場を利用して束縛電子を選択的に励起するコヒーレント共鳴励起を，世界に先駆けて独自に実証してきた。本研究では，この手法をドイツ・GSI/FAIRで供給される高エネルギー (45 GeV) の Li 様 (3 個の束縛電子を伴う) U89+イオンに適用し，分光ペクトルから量子電磁力学(QED)効果をこれまでにない精度で観測する。具体的には、研究代表者を中心とするチームがドイツ側の協力研究者と共同で以下のような手順で実験をすすめる。 1) 190MeV/uに加速されたHe様U90+イオンをイオン蓄積リング ESR に導入し、電子冷却法によって一度冷却してエネルギー幅を狭め，かつ絶対エネルギーを電子冷却装置の電極に印加する電圧を高精度電圧分割装置を使って測定することで決定する。 2) その上で1電子を捕獲した190MeV/の Li 様 U89+イオンを蓄積リングから取り出し，高精度ゴニオメータ上に設置した数μm 厚のSi 結晶へビームを導く。共鳴条件を満たすためには結晶配列の入射ビームに対する角度を変化させることにより，実質的な周期を変化させる。共鳴励起後には，再びX 線を放出して脱励起するので半導体X線検出器によって観測し，放出 X線強度の増加の様子から共鳴プロファイルを得る。ここから BSQED 効果をこれまでにない精度で決定し理論と比較する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 今年度は，計画を練り上げてGSI/FAIRにビームタイム配分の申請書を提出し，ビーム採択委員会において採択が決定した。2023年度以降に実際に実験が実現する運びとなった。実験に必要となるテータ取得プログラムDAQの整備を開始し，今後導入すべき回路等を検討するとともに，現有のX線検出器の整備を行った。加えて，ドイツ側の研究者と緊密なコンタクトをとって，我々がドイツ側へ送るべき実験装置や先方で準備する計測器などの詳細を詰めることができた。
Strategy for Future Research Activity	現時点では、実際に配分されるビームタイムの正確な時期や期間が確定していないが、ドイツ側の電気代高騰やウクライナ紛争の影響を受けて、2023年度末あるいは2024年度初めに最初のビームタイムが配分されると期待される。これに対応すべく、2023年度前半にはドイツGSIへ実際に赴いて、計測系の整備を万全にした上で実験に望みたい。