先端的宇宙X線検出器で迫る多価重イオンの量子電磁力学

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 21H00164
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 中村 信行 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 教授 (50361837)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: 多価重イオン / 量子電磁力学効果 / 相対論効果 / 電子ビームイオントラップ / 量子干渉 / 量子電磁力学的効果 / 偏光

Outline of Research at the Start

多価重イオンのエネルギー準位や相互作用には量子電磁力学（QED）効果が顕著に現れる。代表的なQED効果はラムシフトであり、原子核と電子との相互作用におけるQED効果である。一方、電子と電子との相互作用におけるQED効果はブライト相互作用と呼ばれ、電子間による仮想光子の交換により記述される。この仮想光子は、通常波動的性質を持たない粒子として記述される。これをゼロ周波数近似と呼ぶ。本研究は、代表者の有する世界有数の多価重イオントラップ装置と先端的宇宙X線検出器の「出会い」により、ゼロ周波数近似の適用限界を明らかとし、QED相互作用を媒介する仮想光子の電磁波的描像を初めて捉えるものである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、コンプトンカメラ偏光計を用いた多価イオンの再結合X線の偏光度測定を行っている。これは、宇宙観測用に開発された最先端の検出器を地上の原子物理実験に適用する独創的な研究であり、2019-2020年度の前公募研究において準備が完了し実験も開始していた。2021年度は、検出器の冷却温度を下げることで熱雑音をより抑制した上で、応答特性をより詳細に評価するための検出器回転機構を備えた恒温槽を導入した。今年度はその回転機構付恒温槽を利用して、検出器の角度を変えた測定を繰り返し行うことで、偏光度測定の系統的不確かさをより詳細に評価した。その結果、これまでの解析方法に問題はなく、目的としている精度を満たしていることが改めて確認できた。この結果については本研究に参加した東大大学院生の博士論文の一部としてまとめられ、投稿論文としても準備を進めた。加えて、再結合X線偏光度のスピン反転効果について検討し、その観測のため、より高エネルギー、より高価数イオンによる観測を行った。
上記の実験に加え、昨年度までの実験で得られていたベリリウム様イオンの再結合X線の偏光度に関する予期せぬ結果について検討を深めた。その結果、本来無偏光であるはずの2電子性再結合X線が、放射性再結合との特異な量子干渉効果によって大きな偏光度を示しているということが明らかになった。2電子性再結合は中間状態を介する共鳴的な再結合過程であり、中間状態を介さない非共鳴的な放射性再結合と量子干渉を起こす。通常、量子干渉を起こすのは初期状態と終状態が同じ場合に限られるが、本研究で観測された量子干渉は異なった部分波同士が起こす干渉効果であった。この結果はPhysical Review Letters誌に掲載された他、電気通信大学他からプレスリリースされた。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 北京応用物理計算数学研究所(中国)
• [Journal Article] Strong Polarization of a J=1/2 -> 1/2 Transition Arising from Unexpectedly Large Quantum Interference (2023)
  • Author(s): N Nakamura, N Numadate, S Oishi, XM Tong, X Gao, D Kato, H Odaka, T Takahashi,Y Tsuzuki, Y Uchida, H. Watanabe, S Watanabe, and H Yoneda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 11 Pages: 113001-113001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.113001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarization measurement of L-shell radiative recombination x rays from highly charged bismuth ions (2022)
  • Author(s): Numadate Naoki、Oishi Shimpei、Odaka Hirokazu、Priti、Sakurai Makoto、Takahashi Tadayuki、Tsuzuki Yutaka、Uchida Yuusuke、Watanabe Hirofumi、Watanabe Shin、Yoneda Hiroki、Nakamura Nobuyuki
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 105 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physreva.105.023109
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An application of a Si/CdTe Compton camera for the polarization measurement of hard x rays from highly charged heavy ions (2021)
  • Author(s): Tsuzuki Yutaka、Watanabe Shin、Oishi Shimpei、Nakamura Nobuyuki、Numadate Naoki、Odaka Hirokazu、Uchida Yuusuke、Yoneda Hiroki、Takahashi Tadayuki
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 92 Issue: 6 Pages: 063101-063101
  • DOI: 10.1063/5.0050826
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Atomic physics of highly charged heavy ions studied at the Tokyo electron beam ion trap (2022)
  • Author(s): Nobuyuki Nakamura
  • Organizer: 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Polarization measurements for recombination X-rays (2022)
  • Author(s): Nobuyuki Nakamura
  • Organizer: The Workshop on Physics with Trapped Charged Particle (WPTCP 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 二電子性再結合X線の偏光度測定:J=1/2-1/2遷移に大きな偏光度 を生じたメカニズムについて (2022)
  • Author(s): 中村信行
  • Organizer: 核融合科学研究所素過程研究会
• [Presentation] 二電子性再結合X線の偏光度測定III (2022)
  • Author(s): 中村信行, 大石晋平, 沼館直樹, 内田悠介, 小高裕和, Xiang Gao, 加藤太治, 高橋忠幸, 都築豊, Xiaomin Tong, 米田浩基, 渡辺伸, 渡邉裕文
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Polarization of recombination X-rays studied with a state-of-the-art polarimeter installed at the Tokyo-EBIT (2021)
  • Author(s): N. Nakamura
  • Organizer: 18th SPARC Topical Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 【ニュースリリース】X線偏光で捉えた特異な量子干渉効果
  • URL: https://www.uec.ac.jp/news/announcement/2023/20230317_5236.html
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://yebisu.ils.uec.ac.jp/nakamura/
• [Remarks] 新学術ホームページ
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/publications/2021-a01-5/index.html