Verification of geometrical effect on macro-coherence amplification toward neutrino mass spectroscopy

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K21878
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 宮本 祐樹 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 研究准教授 (00559586)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: ニュートリノ質量分光 / コヒーレンス / ニュートリノ

Outline of Annual Research Achievements

近年、振動実験による混合角の決定などニュートリノの性質は次々と解明されてきた。しかし「質量絶対値」や「質量タイプ(マヨナラ／ディラック)」といった未解決の問題が残っており、これらは標準理論をこえる物理を構築するための重要課題として、今なお世界中で盛んに研究が行われている。これらニュートリノ物理に残る課題を解決しうる手法として、原子を利用する「ニュートリノ質量分光」が提案されている。この手法では、励起された原子からニュートリノ対と光子が同時に放出される過程（光子随伴ニュートリノ対放出）を利用する。ニュートリノ質量分光ではこの光子随伴ニュートリノ対放出をコヒーレンス増幅によって増幅することで観測する。光子随伴ニュートリノ対放出は標準理論の枠内で存在が確実であるが、マクロコヒーレンス増幅が理論通りに機能するかは不明であった。本課題では光子随伴ニュートリノ対放出と同じキネマティクスを持つ三粒子放出過程におけるコヒーレンス増幅の実現とその幾何学的効果の検証を目標とした。
本課題では、キセノン原子の準安定状態である3P2状態からの三光子放出過程を用いることを計画しており、初年度には、この3P2状態に励起する手法とその占有率などの評価方法の開発を行った。しかし、その後の理論的な検討により、ニュートリノ質量分光の標的として誘電体中のランタノイドイオンが有望であることがわかった。そこで本年度は、予定を変更しエルビウムイオン(Er)がドープされたイットリウムオルソケイ酸結晶をもちいたコヒーレント現象の観測を行った。この系は位相緩和が固体であるにもかかわらず非常に長い(ミリ秒)ことで知られている。極低温に冷却したオルトケイ酸イットリウム結晶中のエルビウムイオンからの近赤外超放射観測に成功し、その結晶温度や励起強度依存性から固体中のコヒーレント現象に関して多くの知見を得ることができた。