Realization of laser cooling of positronium atoms and test of the weak equivalence principle using an optical frequency comb

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H06205
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 吉岡 孝高 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70451804)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 難波 俊雄 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 助教 (40376702)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2020-03-31
• Keywords: 素粒子実験 / ポジトロニウム / レーザー冷却 / 光周波数コム / 量子エレクトロニクス

Outline of Annual Research Achievements

ポジトロニウムのレーザー冷却を実証するための特殊なパルスレーザー光源を完成させた。従来のレーザー光源では困難であった、ポジトロニウムの有限寿命、および軽質量に起因する広いドップラー広がりを克服可能な、サブマイクロ秒のパルス幅、200GHz以上のスペクトル幅を有する中心波長243nmのパルスレーザーを実現した。さらに、本システムを構成するマルチパス増幅における増幅タイミングを制御し、出力パルス光の時間分解分光を行うことで、冷却効率の向上に寄与するパルス内の周波数チャープの存在を実証した。並行して数値シミュレーションを実施し実験との比較を行うことで、本研究で構築した特殊光源の動作原理を解明した。これによって、計算に基づいて今後レーザー冷却の最適化を行うことが可能となった。
また、ポジトロニウムへの深紫外レーザー照射実験を実施した。シリカエアロゲルに陽電子を打ち込み、内部の空孔中で生成したポジトロニウムに対して、上記光源とは別に用意した波長243nmのナノ秒深紫外レーザーを照射した。その結果、ポジトロニウムの1Sから2P状態への励起が観測されたものの、短寿命で崩壊する現象が観測された。このため、新たにセットアップを構築し、真空中のポジトロニウムに対して同様に深紫外レーザーを照射したところ、2P励起の共鳴スペクトルを得ることができた。これはポジトロニウムレーザー冷却へ向けての大きな前進である。また、シリカエアロゲル中での2Pポジトロニウムの振る舞いは、空孔中でのポジトロニウム物性の観点からも興味深く、線幅や寿命の観測結果から機構の考察を行った。

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] Measurement of complex refractive index with tunable extreme ultraviolet high harmonic source (2020)
  • Author(s): D. Hirano, Y. Nagakubo, J. Omachi, K. Yoshioka, M. Kuwata-Gonokami
  • Journal Title: Optics Express Volume: 28 Pages: 15148～15160
  • DOI: 10.1364/OE.392272
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Geometrical analysis of Kerr-lens mode-locking for high-peak-power ultrafast oscillators (2020)
  • Author(s): X. Peiyu, M. Kuwata-Gonokami, K. Yoshioka
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab9278
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct phase-locking of a Ti:Sapphire optical frequency comb to a remote optical frequency standard (2019)
  • Author(s): E. Chae, K. Nakashima, T. Ikeda, K. Sugiyama, K. Yoshioka
  • Journal Title: Optics Express Volume: 27 Pages: 15649～15661
  • DOI: 10.1364/OE.27.015649
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observation of ultrahigh mobility excitons in a strain field by space- and time-resolved spectroscopy at subkelvin temperatures (2019)
  • Author(s): Y. Morita, H. Suzuki, K. Yoshioka, M. Kuwata-Gonokami
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.035206
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gigahertz-repetition-rate, narrowband-deep-ultraviolet light source for minimization of acquisition time in high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy (2019)
  • Author(s): K. Yoshioka, J. Omachi, M. Sakano, T. Shimojima, K. Ishizaka, M. Kuwata-Gonokami
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 90 Pages: -
  • DOI: 10.1063/1.5124342
  • Peer Reviewed
• [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
  • Open Access
• [Presentation] Development of a Sub-microsecond Broadband Pulsed Laser for Cooling Positronium (2020)
  • Author(s): Y. Tajima, K. Yamada, K. Shu, A. Ishida, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, E. Chae, and K. Yoshioka
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics 2020 (CLEO 2020)
  • Int'l Joint Research
• [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 (2020)
  • 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」
• [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 (2020)
  • 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: 日本物理学会第75回年次大会
• [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 (2020)
  • 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: 日本物理学会第75回年次大会
• [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III (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: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] ポジトロニウムのレーザー冷却用243nm長持続広帯域パルス光源の開発 (2020)
  • Author(s): 川﨑彬斗, 山田恭平, 田島陽平, 周健治, 橋立佳央理, 石田明, 難波俊雄, 浅井祥仁, 五神真, 蔡恩美, 吉岡孝高
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Approaching towards a “textbook” ideal Bose gas near condensate temperature in an harmonic trap (2020)
  • Author(s): Chen Yiping, 堀越宗一, 吉岡孝高, 五神真
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Stabilizing a Ti:Sapphire optical frequency comb with 10^-19 relative fractional instability through an optical fiber network (2019)
  • Author(s): E. Chae, K. Nakashima, T. Ikeda, K. Sugiyama, and K. Yoshioka
  • Organizer: OSK-OSA-OSJ Joint Symposium 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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 and T. Kai
  • Organizer: 8th International Conference on New Frontiers in Physics (ICNFP 2019)
  • Int'l Joint Research
• [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 and T. Kai
  • Organizer: 15th International Workshop on Positron Beam Techniques and Applications (SLOPOS-15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A compact green Ti:Sapphire astro-comb with 43 GHz repetition rate (2019)
  • Author(s): E. Chae, E. Kambe, K. Motohara, H. Izumiura, M. Doi, and K. Yoshioka
  • Organizer: KPS Fall meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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] 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] 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
• [Presentation] Spontaneously Created Attractive Bose-Einstein Condensates and Their Critical Behaviors (2019)
  • Author(s): Y. Chen, M. Horikoshi, K. Yoshioka, and M. Kuwata-Gonokami
  • Organizer: 50th Annual Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular and Optical Physics APS Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on saturation of SiPM for scintillator calorimeter using UV laser (2019)
  • Author(s): N. Tsuji, W. Ootani, L. Liu, K. Yoshioka, Y. Morita, and M. Kuwata-Gonokami
  • Organizer: Calorimeter for the High Energy Frontier 2019 (CHEF2019)
  • Int'l Joint Research
• [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] 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] 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] UVパルスレーザーによる半導体光センサSiPMのシンチレーション光に対する飽和現象の測定 (2019)
  • Author(s): 劉霊輝, 辻直希, 大谷航, 吉岡孝高, 五神真, 森田悠介
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Remarks] 東京大学吉岡研究室ホームページ
  • URL: http://www.fs.t.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 東京大学浅井研究室ホームページ
  • URL: http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/asai/