2023 Fiscal Year Final Research Report

high-precision experiments in atomic and molecular physics using a negative muon beam and their astrophysical application

Planned Research

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Project Area	Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
Project/Area Number	18H05458
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	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	Azuma Toshiyuki 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)	一戸悠人立教大学, 理学部, 助教 (30792519) 山田真也立教大学, 理学部, 准教授 (40612073) 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, 准教授 (60446599) 馬場彩東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70392082) 井上芳幸大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70733989) 池戸豊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, 先任技師 (90415050) 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)
Project Period (FY)	2018-06-29 – 2023-03-31
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
Outline of Final Research Achievements	As a new approach to verify quantum electrodynamics (QED) effects under strong electric fields, we aimed for high-precision measurements of muonic characteristic X-rays emitted from muonic atoms isolated in a vacuum. Using slow negative muons supplied at J-PARC and superconducting TES-type X-ray calorimeters, we have successfully observed the QED effect appearing in the energy levels of the muonic X-rays emitted from muonic Ne atoms. High-precision measurements of emitted electronic characteristic X-rays have also demonstrated their applicability to studying dynamics in the femtosecond time-domain and spectroscopy of exotic few-quantum many-body systems composed of bound electrons, muons, and nuclei. In addition, we succeeded for the first time in directly observing muon molecules via vibrational structures appearing in muonic X-rays.
Free Research Field	原子分子物理
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	量子電磁力学は、現在最も成功した物理理論の一つと言われている。極限高電磁場下における理論検証を通じてその有効性と破れを見出すことが新しい物理の探求につながる。従来の手法にかわるアプローチを提案した今研究の意義は大きい。また、ミュオンX線は非破壊元素分析のツールとしても最近注目されている。本研究が確立したミュオン特性X線エネルギーの精密計測定法を元素分析法に応用することで、これまで困難であった同位体分析に加え、元素の化学状態分析など、新たな研究分野の開拓につながることが見込まれる。