2019 Fiscal Year Annual Research Report
Positronium generation, condensation, and cooling to realize Bose-Einstein condensation of antimatter system
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19H01923
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
石田 明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00647670)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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)
伊藤 賢志 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 (90371020)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 反物質の低温量子多体物質相 / ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) / ポジトロニウムのレーザー冷却 / ポジトロニウム生成・濃縮・冷却ナノ反応器 / 高密度陽電子バンチ / 陽電子蓄積装置 / 陽電子輝度増強システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、素粒子物理学・原子物理学・光科学の各分野にパラダイムシフトをもたらすべく、反物質系ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) を実現させ、物質優勢の宇宙の謎を解くかぎとなる反物質重力測定による物質・反物質対称性の検証やポジトロニウム (Ps) 原子のエネルギー準位超精密測定による束縛系量子電磁力学の精密検証、さらにはガンマ線レーザーに応用することである。本年度は以下のように、Ps-BEC実現に向けた材料開発及び高密度陽電子生成技術開発において大きな進展があった。
A) Ps生成・濃縮・冷却機能をもつナノ反応器の開発
Ps-BEC発現の肝となるPs原子の生成・濃縮・冷却を行うための「ナノ反応場」としてPs生成・濃縮・冷却 (generator/condenser/cooler) の三項目の特性をもつ酸化ケイ素（シリカ）多孔体を開発した。高エネ研の低速陽電子実験施設を用いて、開発したシリカ多孔体の空孔内におけるPsのレーザー冷却実現可能性を調べるためPsの1S-2P遷移実験を行った。その結果、シリカ多孔体中では2P状態に遷移したPsが瞬時にガンマ線に消滅することが判明した。この新規現象はPs-BEC実現の阻害要因となるため原因を追究しており、励起状態Ps消滅率を詳細に調べることでPs生成材の改良に向け重要な知見を蓄積し、課題を明確にすることができた。
B) 高密度陽電子バンチ生成装置の開発
高密度の陽電子によるパルス状ビームを生成するための陽電子蓄積装置では窒素ガス冷却式の陽電子トラップを利用する。産総研高強度陽電子施設に設置した蓄積装置を用いて、電子加速器を用いて発生した低速陽電子をトラップし、数ナノ秒のバンチビームとして引き出すことに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ps-BEC実現のためのPs生成・濃縮・冷却「ナノ反応器」として期待されるシリカ多孔体を計画通りに開発することに成功した。その後、開発したナノ多孔体中におけるPsのレーザー冷却実現可能性を調べるために行ったPsの1S-2P遷移実験において、2P状態に遷移したPsが瞬時にガンマ線に消滅するというPs-BEC実現の阻害要因となる物理現象が判明した。これは当初予期していないことであったが、励起状態Psの消滅率を詳細に調べることで、今後の材料改良に資する重要なデータを取得することができた。課題が明確になったため、次年度に更なるデータ取得のための実験を行うことで消滅現象の原理を解明して物理モデルを構築するとともに、新規モデルを踏まえたPs生成・濃縮・冷却材の改良を行う。
一方、高密度陽電子バンチ生成においては、陽電子蓄積装置を用いた陽電子トラップを計画通り進めるとともに、当初計画の50ナノ秒以下という要求性能を大幅に上回る数ナノ秒以下の短パルス取り出しに成功し、高密度陽電子生成のための知見が蓄積された。次年度はPs-BEC実現に必要な陽電子蓄積効率を目指した技術開発を行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は以下のように、A) Ps生成・濃縮・冷却機能をもつナノ反応器の開発、B) 高密度陽電子バンチ生成装置の開発、C) Psドップラー温度測定法の確立、の３つの軸で研究を行い、Ps-BEC実現に向けた要素技術開発を進める。
A) 2P状態のPsがシリカ多孔体の空孔内で瞬時にガンマ線に消滅する現象を解明し、その知見を基に新たにPs生成・濃縮・冷却材を開発する。その過程ではシリカ以外の無機酸化物も検討し、最適な組成や構造をもった材料を開発する。このため2020年度から、無機酸化物の組成およびナノ集合構造を自在に制御する技術をもつ研究分担者を新たに加えて研究を加速する。また、Ps-BEC実現に十分な超高密度陽電子を開発した材料に入射した際、帯電や発熱等の反応が問題になりうるため、陽電子減速過程シミュレーションを行うことによりナノ反応器内で起こる反応を予測して問題点を洗い出し、その知見をナノ反応器開発にフィードバックする。このためシミュレーションの専門家を新たに研究分担者に加える。
B) 陽電子蓄積装置のトラップ効率改善のため、新規トラップ電極を開発し、高効率化を図るとともに、ビーム輸送効率改善のため輸送コイルや電極電圧の最適化を行う。
C) 高精度1S-2P間レーザー遷移システムを開発し、ドップラー拡がりによるPs温度測定法を確立する。またこのレーザーを用いたPsのレーザー冷却の原理検証実験を、高エネ研の低速陽電子実験施設で行う。
2021年度は上記要素技術を結集し、Ps-BEC実現転移温度を下回る10 KまでのPsの世界初レーザー冷却実験を行う。
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[Presentation] Recent progress towards positronium Bose-Einstein condensation2019
Author(s)
Akira 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
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[Presentation] Excitation of positronium by laser for efficient cooling2019
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
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[Presentation] Development of focusing lens for high-density positron beam2019
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
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