Observation of hyperfine structure of positronium using a static periodic magnetic field

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K12645
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: Nagata Yugo 東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 助教 (30574115)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ポジトロニウム / 運動誘起共鳴 / 原子分光 / コヒーレント共鳴励起 / 陽電子 / sub-THz波

Outline of Final Research Achievements

Positronium (Ps), composed of a positron and an electron, has hyperfine structure in the ground state. The measurement of the transition frequency is attracting attention for the QED test. In this study, we tried to observe motion-induced resonance (MIR) using an energy-tunable Ps beam. To produce a periodic magnetic field, the multi-layered magnetic grating was developed using iron foils. We succeeded in observing the MIR of the hyperfine structure of the Ps atom. This is the first observation of the MIR in the sub-THz region, and the first step for the antimatter research using the MIR.

Free Research Field

原子物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ポジトロニウム（Ps）の基底状態の超微細構造遷移周波数203 GHzの測定はQEDのテストとして注目されており、従来、マイクロ波やレーザーによって測定されてきた。今回、運動誘起共鳴（MIR）による新しい測定方法を実証することができた。また、多層磁気格子が生成する周期磁場の強度は、電磁波のパワーに換算すると100 MW/cm2にも達し、これは従来の方法に対して1万倍強力であることが分かった。この測定はMIRのテラヘルツ波帯での初めての観測であり、さらにMIRによる反物質研究の第一歩となった。