2019 Fiscal Year Research-status Report
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19K12645
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
永田 祐吾 東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 助教 (30574115)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ポジトロニウム / 運動誘起共鳴 / コヒーレント共鳴励起 / 原子物理 / 磁気共鳴 / テラヘルツ波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
空間的な周期構造を持つ静磁場中を通過する原子は，その重心系において時間的に振動する磁場を受ける．その周波数は原子の速度をv，周期長をaとすると，f=v/aとなる．これが原子の内部エネルギーに相当する周波数（プランク定数で割ったもの）と一致するとき，磁気共鳴遷移が起こる．これを運動誘起共鳴と呼ぶことにする．本研究はポジトロニウムの超微細構造(203 GHz)の運動誘起共鳴を観測することを目的とする．
このような手法で最も知られているものは，結晶電場を用いたもので，EUV以上の遷移エネルギーで研究されてきた．一方，人工的に発生させた周期的静電場や静磁場による方法では，中性原子の共鳴遷移がマイクロ波領域でのみ実現されてきた．
本研究はエキゾチック原子であるポジトロニウムを用いた初めての試みであり，ポジトロニウムの超微細構造遷移周波数はTHz波帯に属し，これまでに無い新しい周波数での実証にもなる．
実験には東京理科大学で開発に成功したポジトロニウムビームと，これまでの研究で技術的に蓄積のある磁気格子を発展的に応用する．
今年度は，強磁性体である鉄箔を90 μmの周期で配列し，磁石を用いることで，十分な磁場強度を持つ磁気格子の製作が可能であることを，数値計算によって明らかにした．次に実際にワイヤー放電加工によって磁気格子を製作した．そして実際に，磁気格子に長寿命であるオルソポジトロニウムを透過させた．共鳴遷移が起こった場合，短寿命のパラポジトロニウムに遷移し，カウント数の減少が予想される．速度を変化させて振動磁場の周波数を変化させながら測定することで，予想される共鳴周波数付近で顕著なカウント数の減少を確認することが出来た．
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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
本研究で問題となるのは，磁気格子の磁場強度である．本研究で用いるポジトロニウムは光速の10%程度の速度を持つ．90 μmの周期を10層重ねるた場合，ポジトロニウムが振動磁場と相互作用する時間は50 ps程度と非常に短く，Rabi振動を考えると，共鳴遷移させるには0.1 T以上の強い磁場強度の周期磁場を，マイクロメーターのサイズで実現する必要がある．それを実現するために数値計算による設計を行った．炭素鋼箔と銅箔を交互に重ね，スリット穴を開けたものをSmCo磁石を用いて磁化するという方針を基本とし，厚み等の微調整を繰り返し，0.12 T程度の振幅を持つ周期磁場の条件を見出した．このとき，磁石から炭素鋼箔へはテーパー状の軟鉄を介すことで磁束を集め，磁場を強化している．また，炭素鋼箔の磁化はSQUIDであらかじめ測定し，数値計算へ反映させた．
次に実際にポジトロニウムビームを磁気格子に通し，ポジトロニウムのカウント数を速度を変えながら測定した．共鳴周波数はZeeman分裂を考慮すると，210 GHz程度と予想されるが，その付近でカウント数の大きな減少が見られた．これはポジトロニウムの超微細構造の共鳴遷移を示す信号と考えられ，当初の大きな目的を達成したと言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
ポジトロニウムの速度を変えながら得られたカウント数のスペクトルの詳細な解析を行う．さらにポジトロニウムの密度行列の時間発展を解き，得られたスペクトルと比較することで，測定データの妥当性を評価することができる．さらに，得られた結果から，どのような応用が可能かを検討する．次に，磁気格子をさらに多層化することで，分解能をどの程度改善できるかを，これまで得られた結果をベースとして，数値的に評価する．それに従って，磁気格子の性能を改善し，実際に実験を行う．
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| Causes of Carryover |
実験データ解析の進み具合によって，論文投稿のタイミングが変わってくる．速やかに投稿，掲載が決まった際の出版費用を，あらかじめ確保する必要がある．しかし，本年度中に決まらなかったため，次年度使用額が生じた．
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[Journal Article] A hydrogen beam to characterize the ASACUSA antihydrogen hyperfine spectrometer2019
Author(s)
C. Malbrunot, M. Diermaier, M.C. Simon, C. Amsler, S. Arguedas Cuendis, H. Breuker, C. Evans, M. Fleck, B. Kolbinger, A. Lanz, M. Leali, V. Maeckel, V. Mascagna, O. Massiczek, Y. Matsuda, Y. Nagata, C. Sauerzopf , L. Venturelli, E. Widmann, M. Wiesinger, Y. Yamazaki and J. Zmeskal
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Journal Title
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A
Volume: 935
Pages: 110-120
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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