ミュー粒子質量精度向上に向けたCW高強度レーザーによるMu1S-2S遷移精密分光

• Project/Area Number: 23K25881
• Project/Area Number (Other): 23H01185 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• 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): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2025: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2024: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2023: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
• Keywords: ミューオニウム / レーザー分光 / 周波数測定 / 基礎物理定数 / レーザー精密分光

Outline of Research at the Start

本研究では，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．
現在ミュー粒子に関する基礎物理定数の不確かさは，ミュー粒子の質量に由来する不確かさにより大きく制限されている．ミュー粒子は強い相互作用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．
本研究課題では高出力の連続波発振(CW)レーザー分光系を開発し，ミューオニウム1S-2S遷移の精密分光を行い実験によるミュー粒子質量決定精度の改善を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，実験によるミュー粒子質量の決定精度を120 ppbから1 ppbまで向上させることを目的とする．ミュー粒子の基底準位超微細構造間周波数には，電弱効果によるシフトが-65 Hz存在することが理論計算で明らかになっている．しかし，超微細構造間周波数自体の理論計算値には515 Hzの不確かさが存在する．この不確かさは参照値であるミュー粒子質量の実験値に起因するものであり，ミューオニウム1S-2S遷移精密分光によりミュー粒子質量精度を2桁向上させることができれば，超微細構造間の不確かさは4 Hzまで低減するため，標準理論を超えた精密検証が可能となる．また，ミュー粒子の異常磁気モーメントにもミュー粒子質量は参照されるため，ミュー粒子の質量精度向上はg-2 anomalyで見えている新物理の検証にも寄与する．本年度はJ-PARCの大強度μ粒子ビームラインでパルスレーザーを用いた1S-2S遷移分光実験を行い，測定不確かさの低減に努めた．
系統誤差の一つ残留ドップラーシフトの低減を目的として，ミューオニウム生成標的であるエアロゲルを2層化し，レーザーと相互作用するミューオニウムの速度分布の対称化を試みた．結果，これまで使用していた単相の生成標的使用時よりも残留ドップラーシフトを低減させることに成功した．また，光周波数コムによるレーザーの周波数安定化を行い，周波数安定度を1.3 MHzから50 kHzにまで改善した．信号の統計量に関しては，244 nm発生に使用する非線形光学結晶をリチウムトリボレートに変更し，パルスレーザーの空間モードを改善することで，1S-2S遷移の対向二光子励起の効率を向上させ，先行研究の約130倍の信号レートを達成した．

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定通り，信号レートの向上やミューオニウム生成標的2層化による残留ドップラーシフトの低減等，1S-2S遷移周波数測定における不確かさの低減に向けた研究を行った．パルスレーザー実験での不確かさ目標1MHzを達成する目処は立ったが，2層標的を保持するホルダーが帯電し，不随意な電場による周波数シフトが生じる問題が起こったため，残留ドップラーシフトの対策の改善が必要となったため，若干遅れが見込まれる．

Strategy for Future Research Activity

上述の問題の対策として，ミューオニウム生成標的ではなくレーザー系の改良による残留ドップラーシフト低減を予定している．具体的にはレーザーとミューオニウムの相互作用部分に光共振器を組み，対向するレーザー波面を一致させることで残留ドップラーシフトを抑制する．この方法はCWレーザー分光でも有用である．また並行して高出力の244 nm CW光源の開発も行う．

Research Products

• [Presentation] ミューオニウム1S-2Sパルスレーザー分光 III (2023)
  • 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, 上岡修星, 河村成肇, 幸田章宏, 増田孝彦, 三部勉, 宮本祐樹, 嵯峨航, 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78回年次大会