Development of a brightness enhancement method of a positron beam for generating high density positroniums

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H02820
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 大島 永康 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (00391889)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石田 明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00647670) ; 満汐 孝治 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (10710840) ; ORourke Brian 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (60586551) ; 甲斐 健師 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究副主幹 (70403037)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 高密度陽電子バンチ / 高輝度陽電子ビーム / 高密度ポジトロニウム / 陽電子蓄積 / ボース・アインシュタイン凝縮(BEC) / 高効率ポジトロニウム生成・閉じ込め材料 / 陽電子減速拡散シミュレーター

Outline of Annual Research Achievements

電子と陽電子の束縛系であるポジトロニウム（Ps）のボース・アインシュタイン凝縮(BEC)は、反物質に働く重力の精密測定や消滅ガンマ線レーザー発生に道を拓く興味深い系であるが、未だに実現されていない。本研究の目的は、Ps-BEC 実現で最大の障害となっている超高密度Psの生成技術を開発することである。研究中のスキームでは、超高輝度陽電子バンチをPs生成ターゲットに打ち込むことで超高密度Ps生成を目指しており、本年度は、以下の進展があった。
産業技術総合研究所の電子加速器で発生した低速陽電子を、バッファーガス冷却式蓄積装置で蓄積し、回転電場で密度圧縮した後、数ナノ秒の高密度バンチビームを引き出すことに成功した。
高エネルギー加速器研究機構の陽電子利用施設を用いて、Psとレーザーとの相互作用を確認する実験を行った。陽電子バンチと同期したパルスレーザーを用いて、真空中でPsの1S状態から2P状態への遷移実験を行うとともに、新規開発したPs生成材である多孔質シリカエアロゲルの空孔中でも同様の遷移実験を行った。その結果、シリカエアロゲル空孔中では2P状態に遷移されたPsが瞬時に消滅し、Ps-BEC実現の阻害要因となることが新たに判明した。この2P状態の消滅率を詳細に調べた結果、Psの温度や空孔表面のPsに対する仕事関数に依存することを示唆するなど、材料改良のための重要な知見を得ることができた。
開発した陽電子減速・拡散シミュレーターを利用した研究を展開した。5keVの陽電子を真空領域から標的に照射した場合、陽電子は衝突による減速を繰り返し、10ピコ秒経過すると10 ミリeV程度にまで減速することが分かった。Ps-BECを実現するには、更なる減速が要求されるため、レーザー冷却技術の開発は必要不可欠となる結論が得られた。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Accumulation of LINAC based low energy positrons in a buffer gas trap (2020)
  • Author(s): Hiroyuki Higaki, Koji Michishio, Kaori Hashidate, Akira Ishida, Nagayasu Oshima
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Pages: 066003-1,4
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab939f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 空孔評価のための陽電子マイクロビーム技術 (2019)
  • Author(s): 大島 永康
  • Journal Title: 計量標準と計量管理 Volume: 69 Pages: 56, 58
• [Journal Article] 物質反物質非対称性探索を目指したポジトロニウムのレーザー冷却 (2019)
  • Author(s): 周 健治、山田 恭平、橋立 佳央理、石田 明、難波 俊雄、浅井 祥仁、五神 真、 田島 陽平、蔡 恩美、吉岡 孝高、大島 永康、オローク ブライアン、満汐 孝治、伊藤 賢志、熊谷 和博、鈴木 良一、藤野 茂、兵頭 俊夫、望月 出海、和田 健、甲斐 健師
  • Journal Title: Photon Factory News Volume: 37 Pages: 23, 26
  • DOI: https://doi.org/10.35848/1882-0786/ab939f
  • Open Access
• [Presentation] 陽電子ビームを用いた消滅ガンマ線ドップラー広がりシステム (2020)
  • Author(s): 大島 永康、オローク・ブライアン、満汐 孝治 、折原拓磨、佐藤公法
  • Organizer: 2019年度計量標準総合センター成果発表会
• [Presentation] 高速レーザー冷却を目指したポジトロニウムのレーザー励起 (2020)
  • Author(s): 周 健治，山田 恭平，橋立 佳央理，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 2019年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 産総研・低速陽電子ビーム施設 (2020)
  • Author(s): 満汐 孝治 、オローク・ブライアン、大島 永康
  • Organizer: 2019年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 橋立 佳央理，周 健治，山田 恭平，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師 (2020)
  • Author(s): ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却I
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会（2020年）
• [Presentation] 山田 恭平，周 健治，橋立 佳央理，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師 (2020)
  • Author(s): ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却II
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会（2020年）
• [Presentation] 周 健治，山田 恭平，橋立 佳央理，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師 (2020)
  • Author(s): ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却III
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会（2020年）
• [Presentation] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却I (2019)
  • Author(s): 山田 恭平，周 健治，橋立 佳央理，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 第56回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却II (2019)
  • Author(s): 周 健治，山田 恭平，橋立 佳央理，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 第56回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却III (2019)
  • Author(s): 橋立 佳央理，周 健治，山田 恭平，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 第56回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] 産総研 低速陽電子ビーム利用施設の現状 -寿命測定装置開発とビームライン整備- (2019)
  • Author(s): 満汐 孝治 、小林 慶規 、オローク・ブライアン、鈴木 良一、 大島 永康
  • Organizer: 第56回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] 高密度陽電子バンチシミュレーションコードの開発 (2019)
  • Author(s): 甲斐 健師、石田 明、大島 永康
  • Organizer: 第56回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] 産総研電子加速器ベース低速陽電子利用施設の現状 (2019)
  • Author(s): 大島 永康、満汐 孝治 、オローク・ブライアン、鈴木 良一
  • Organizer: 第16回日本加速器学会年会
• [Presentation] Experimental progress towards positronium Bose-Einstein condensation (2019)
  • Author(s): A. Ishida, K. Shu, K. Yamada, K. Hashidate, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, Y. Tajima, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B. E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada, T. Kai
  • Organizer: 8th International Conference on New Frontiers in Physics (ICNFP 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent progress towards positronium Bose-Einstein condensation (2019)
  • Author(s): A. Ishida, K. Shu, K. Yamada, K. Hashidate, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, Y. Tajima, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B. E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada, T. Kai
  • Organizer: 15th International Workshop on Positron Beam Techniques and Applications (SLOPOS-15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current status of the AIST slow positron facility (2019)
  • Author(s): Koji Michishio, Brian E. O'Rourke, Yoshinori Kobayashi, Ryoichi Suzuki, Nagayasu Oshima
  • Organizer: 15th International Workshop on Positron Beam Techniques and Applications (SLOPOS-15)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 産総研の低速陽電子ビーム施設 (2019)
  • Author(s): オローク・ブライアン、満汐 孝治 、小林 慶規 、鈴木 良一、 大島 永康
  • Organizer: JASIS 2019 コンファレンス 分析計測標準研究部門 第5回シンポジウム
• [Presentation] ボース・アインシュタイン凝縮を目指した高密度・低温ポジトロニウム生成 (2019)
  • Author(s): 石田 明，周 健治，山田 恭平，橋立 佳央理，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 凝縮相における高密度陽電子バンチシミュレーションコードの開発 (2019)
  • Author(s): 甲斐 健師、石田 明、大島 永康
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却I (2019)
  • Author(s): 山田 恭平，周 健治，橋立 佳央理，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却II (2019)
  • Author(s): 周 健治，山田 恭平，橋立 佳央理，石田 明，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] Experimental progress towards positronium Bose-Einstein condensation (2019)
  • Author(s): A. Ishida, K. Shu, K. Yamada, K. Hashidate, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, Y. Tajima, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B. E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada, T. Kai
  • Organizer: 4th Japan-China Joint Workshop on Positron Science (JWPS 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Positron microbeam experiments in AIST (2019)
  • Author(s): Nagayasu Oshima
  • Organizer: 4th Japan-China Joint Workshop on Positron Science (JWPS 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A high-quality and energy-tunable positronium beam and its applications (2019)
  • Author(s): Koji Michishio
  • Organizer: 4th Japan-China Joint Workshop on Positron Science (JWPS 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Excitation of positronium by laser for efficient cooling (2019)
  • Author(s): K. Shu, K. Yamada, K. Hashidate, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, Y. Tajima, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B. E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada, T. Kai
  • Organizer: 4th Japan-China Joint Workshop on Positron Science (JWPS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of cooling laser for positronium Bose-Einstein condensation (2019)
  • Author(s): K. Yamada, K. Shu, K. Hashidate, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, Y. Tajima, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B. E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada, T. Kai
  • Organizer: 4th Japan-China Joint Workshop on Positron Science (JWPS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of focusing lens for high-density positron beam (2019)
  • Author(s): K. Hashidate, K. Shu, K. Yamada, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, Y. Tajima, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B. E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada, T. Kai
  • Organizer: 4th Japan-China Joint Workshop on Positron Science (JWPS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線形加速器を用いた低エネルギー陽電子蓄積実験 (2019)
  • Author(s): 桧垣 浩之、満汐 孝治、橋立 佳央理、石田 明、大島 永康
  • Organizer: 第36回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ボース・アインシュタイン凝縮実現のためのポジトロニウム冷却 (2019)
  • Author(s): 石田 明，周 健治，山田 恭平，橋立 佳央理，難波 俊雄，浅井 祥仁，五神 真， 田島 陽平，蔡 恩美，吉岡 孝高，大島 永康，オローク ブライアン，満汐 孝治， 伊藤 賢志，熊谷 和博，鈴木 良一，藤野 茂， 兵頭 俊夫，望月 出海，和田 健，甲斐 健師
  • Organizer: 京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用」
• [Remarks] ボース-アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却（東京大学・浅井研究室 HP）
  • URL: https://tabletop.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/?page_id=110
• [Remarks] ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) に向けたポジトロニウム冷却（東京大学助教・石田明 HP）
  • URL: http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/~ishida/work/psbec/index_j.html