2018 Fiscal Year Annual Research Report
Study on thorium-229 Low-lying Isomer state and its application for fundamental physics
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18H01230
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
吉村 浩司 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (50272464)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笠松 良崇 大阪大学, 理学研究科, 講師 (70435593)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 実験核物理 / トリウム / 放射光X線 / 核共鳴散乱 / 周波数標準 / 原子核時計 / APD / 物理定数の時間変化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高性能標的と改良したX線計測システムを用いて，高輝度放射光施設SPring-8において実験を遂行し，第二励起準位の核共鳴散乱を観測し，トリウム229を基底状態から能動的に励起することに成功した。これにより，第一励起状態（アイソマー状態）への遷移を能動的に制御することが可能になり，アイソマーからの真空脱励起光観測への大きなステップが達成された。
【X線エネルギーモニタ】シリコン標準結晶を用いてX線のエネルギーを精密にモニタする装置（ボンド法）を産業総合研究所，理化学研究所と共同で開発し，共鳴エネルギー探索の際のエネルギースキャンにおけるX線エネルギーの不定性を0.07 eV以下に減らすことに成功した。
【トリウム229の能動的な核励起に成功】9個のAPD(アバランシュフォトダイオード)をアレイ状に配置したセンサを用いて，優れた高速応答性を確保しつつ立体角を増加させたシステム，および大阪大，理研と共同で開発したトリウム標的，および高精度エネルギーモニターを用いてSPring-8で実験を行い，第二励起準位の核共鳴散乱を観測し，その寿命を求めることに成功した。トリウム229を基底状態からX線により能動的に励起したのは世界でも初である。
【真空紫外光の観測の予備テスト】共鳴エネルギーに合わせたX線を照射することで，能動的に生成されたアイソマー状態（第一励起状態）から放出する真空紫外光の観測を開始した。標的としは真空紫外光に対して透過性のある光学結晶(トリウムをドープしたCaF2)を用いて，微小な光を集光する光学系を構築して，予備テストを行い十分な性能を発揮していることを確認した。
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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
核共鳴状態への励起を探索する際，シリコンモノクロメータによりX線のエネルギーを単色化するとともに，その回転角度を調整することでエネルギーを変化させているが，従来はそのエネルギーの不定性（数eV程度）および再現性（0.2 eV程度）がエネルギースキャンする際の大きな問題となっていた。産総研の協力を得て，高精度なX線モニターシステム（ボンド法）を導入することにより，X線のエネルギーの絶対値を0.07eVの精度でモニタすることが可能になり，目標とするエネルギー範囲を精度よくスキャンすることにより，第二励起状態の核共鳴散乱の観測につながった。
核共鳴散乱の観測の成功により，アイソマー状態の能動的な生成を予定よりも早く実現することでき，真空紫外光の脱励起光の探索をいち早く開始することが可能になった。真空紫外光測定のために必要なトリウムをドープ光学結晶についても，ウィーン工科大学の協力により，良質の光学結晶を提供を受け，真空紫外光観測に向けた準備を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，昨年度に観測に成功した第二励起状態の核共鳴散乱を用いて，能動的励起で得られたアイソマー状態からの真空紫外光の観測に注力する。
【真空紫外光観測装置の改良】昨年度から開発を進めている脱励起真空紫外光観測装置にさらに改良を施すことにより，バックグランドを信号が観測できるレベルまで減少させる。具体的には，紫外光検出用CsIフォトカソードの光電子増倍管を-30℃まで冷却するとともに，光学結晶を移動ステージで移動させて，X線を照射する際に光電子増倍管に散乱X線を当てないようにすることで，バックグランドを0.01cps程度まで減少させる。
【高性能光学結晶の開発】ウィーン工科大学の協力により，トリウム229のドープ密度を100倍程度あげた，光学結晶を製作する。
【真空紫外光分光の観測】改良した観測装置と光学結晶を用いてSPring-8においてX線照射実験を行い，真空紫外光の観測を行う。観測に成功した場合には，バンドパスフィルターによる波長の識別と，アイソマー状態の寿命測定を行う。
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