2021 Fiscal Year Annual Research Report
Precision test of electroweak theory and search for new physics beyond the Standard Model by laser spectroscopy of purely leptonic atoms
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19H05606
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
植竹 智 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (80514778)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山崎 高幸 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, 助教 (40632360)
下村 浩一郎 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, 教授 (60242103)
吉田 光宏 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (60391710)
吉村 太彦 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 客員研究員 (70108447)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | ミューオニウム / 純レプトン原子 / 精密レーザー分光 / 電弱統一理論 / 新物理探索 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，最新の原子分光技術と高品質ミュー粒子生成技術，そして電弱統一理論の精密計算技術の3つを最大限に活用し，素粒子であるレプトンのみから構成される「純レプトン原子」のエネルギー準位を精密に測定する．これにより，標準理論の精密検証および電子とミュー粒子に結合する未発見の素粒子(力を媒介する粒子)探索を目指す．
令和3年度はレーザー分光のためのビームライン(S2エリア)が始動し，コミッショニングを行った．ビームラインオプティクスの最適化を進め，目標としていたミュー粒子レートである1秒あたり2×10^6個のレートを得ることに成功した．また，これまでに岡山大学やKEKつくばキャンパスで開発したレーザーシステムをJ-PARCへ移設し，再立ち上げおよび調整を行った．目標としていた出力 (2mJ@244nm) のレーザー開発が完了し，1週間に渡る連続測定も可能な長期安定度を有することも確認した．開発したレーザーシステムを用い，2022年1月よりレーザー分光実験を開始した．その結果，ラザフォードアップルトン研究所で行われた先行研究の50倍以上の信号レートで1S-2S共鳴スペクトルを得ることに成功した．ラザフォードアップルトン研究所の実験時と比べてミュー粒子ビーム強度は20倍高くなっているが，信号レートはそれを上回っており，当初の期待以上の成果が得られている．
また，基底状態超微細分裂のマイクロ波分光では，新たにラビ振動分光法という分光技術を確立し，超微細分裂の遷移周波数を160×10^-9の精度で決定した．これはゼロ磁場での分光で世界最高精度であり，論文として出版済みである．
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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
レーザー分光のためのビームライン(S2エリア)が2021年度後期から始動したことにより，11月から3月までの4ヶ月間に計30日以上のビームタイムを確保してレーザー分光実験を開始した．ビームライン準備のために2年半の時間を要したが，それを補って余りあるビームタイムが得られており，さらに今後も確保できる見込みである．
J-PARCへ移設したレーザーシステムについては，最終調整により目標とする2mJ以上(244nm)の出力を得ることに成功した．さらに24時間連続運転で1週間にわたりデータを取ることが可能な長期安定度を有しており，当初の期待以上の高性能レーザーシステム開発に成功した．このレーザーシステムを用いたミューオニウムの1S-2Sレーザー分光実験では，先行研究であるラザフォードアップルトン研究所の結果を50倍以上上回る高い信号レートで分光スペクトルを得ることに成功した．先行研究のミュー粒子ビーム強度に比べて我々の実験では20倍のビーム強度が利用できているが，信号レートはビーム強度の増加をさらに上回っている．これは我々が開発したレーザーシステムの性能が高く，長時間安定した実験が可能となったことが大きい．
以上から，本研究課題は当初の計画以上に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は引き続きレーザー分光実験を遂行する．開発したレーザーシステムの改良を進めてさらなる長期安定度を得ると共に，ファイバー光コムを導入して励起レーザー周波数精度を向上させる．また，1S-2S分光実験での信号レートのさらなる増強も行い，高いSN比で統計誤差，系統誤差の少ないデータ測定を進める．
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