2018 Fiscal Year Annual Research Report
high-precision experiments in atomic and molecular physics using a negative muon beam and their astrophysical application
| Project Area | Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams |
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| Project/Area Number |
18H05458
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 伸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (60446599)
岡田 信二 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 協力研究員 (70391901)
山田 真也 首都大学東京, 理学研究科, 助教 (40612073)
一戸 悠人 立教大学, 理学部, 助教 (30792519)
馬場 彩 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70392082)
井上 芳幸 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 上級研究員 (70733989)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子ビーム / 負ミュオン / 超伝導X線検出器 / 量子電磁力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子に負ミュオンが捕獲されると、負ミュオンと原子核から構成されるミュオン原子が孤立して生成される。ミュオン原子では束縛負ミュオンが原子核正電荷に起因する超強電場に晒される。よってミュオンエネルギー準位は、極限条件下での量子電磁力学効果を探求する理想のプローブである。 J-PARC において供給される高強度低速大強度負ミュオンビームと高分解能TES型超伝導X線検出器などの最先端検出器を組み合わせることにより、広帯域にわたる従来の精度を遥かに凌駕するミュオン特性X線精密分光計測を実現することを目指している。
本課題採択後、H30年6月のJ-PARC 一般課題申請を行い、高い評価を得て採択が決定された。これによってビームタイムがH31年度 4月に配分された。そこで、H30年度は実験をスムースに立ち上げるべく関連する準備を着実に進めた。供給される負ミュオンビームのエネルギー、その幅、さらに角度分布に依存して実際にガス中で負ミュオンが止まる位置が変化する。これを最適化し、加えてチェンバー壁等で発生するX線バックグラウンドを低減化するために、ビームライン出口の収束磁石条件と低ガス圧の試料標的を保持するためのガスチェンバーチェンバーを組み合わせたコンピューターシミュレーションを実施した。これにより最終的な磁場条件とガスチェンバー設計を終えた。さらに、現有の200ピクセル多素子TES型超伝導X線検出器や、Si半導体検出器、CdTe検出器など様々な検出器を設置できる導入部を用意した。
また、当初H31年度以降に購入する予定だった断熱消磁冷凍機や多重化読出回路を今年度購入した。これにより予定していた30keVや100keVといった高エネルギーX線を対象とする検出器開発を前倒して行うことにより、早期に振動・電気ノイズなどの問題点を洗い出し、この問題点を十分に対処できる時間を設けることが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
実際にJ-PARCの課題申請が順調に採択されビームタイムを確保できたことの意義は大きいい。その結果、実験環境の現場に合わせた標的チェンバーの準備や、ビーム形状を観測するためのビームモニターの選定やその配置や取り付け手法も進展した。加えてX線検出器動作に必要な、実験ポートの電源の安定度やノイズ環境を調査し万全の準備を行うことができた。
今回報告するH30年度内ではないが、実際にH31年度4月にはビームタイムを使ってフィージビリティテストを実施した。負ミューオンをガス標的に導入し、TES検出器でミュオン特性X線を期待通りの高精度で観測できることを実証することができた。
加えて、研究全体の後半に計画していたより高エネルギーのTES検出器導入に対応した準備も進展し、使用する当断熱消磁冷凍機や多重化読出回路を今年度導入することで、開発が加速することが期待される。
よって、進捗状況としては当初の計画以上に進展したと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
先に述べたようにH31年4月のビームタイムにおいて、実際にTES検出器を使って高精度でミュオン特性X線を観測することに成功している。今後は、電子線照射による一般の特性X線を利用したTES検出器のオンライン条件下のエネルギーキャリブレーションを可能にして、絶対エネルギー測定を実施し計測系を完成させたい。標的ターゲットも当初量子電磁力学効果が大きい一方原子核の大きさの影響が無視できるネオンの5g-4f/5f-4dのミュオンX線を予定しているが、これを他の様々な遷移ラインに展開し、統一的に高精度スペクトルを得る予定である。その後Ne以外の希ガス標的にもこれを拡張したい。
また、高エネルギーのTES検出器導入のための検出器や回路の開発を本格化させH31年度には、動作可能な検出器システムを完成させたい。
一方、実際にデータが蓄積されることが期待される状況下、理論共同研究者を交えて、今後期待される結果に対応した理論展開に関するワークショップを開催し、得られたスペクトルをもとに基礎物理検証への可能性を議論し、実際の宇宙物理観測で観測される放射スペクトルへの貢献などを検討する予定である。
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Research Products
(4 results)
