中性子whispering gallery状態を用いた未知相互作用の探索

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03594
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 市川 豪 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, 研究員 (60749985)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三島 賢二 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, 特別准教授 (20392136)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 中性子 / 未知相互作用 / 素粒子実験 / 重力 / 中性子散乱

Outline of Annual Research Achievements

中性子whispering gallery状態を用いて、短距離における重力相互作用に修正を加えるような未知の相互作用を探索している。その探索感度は重力源となる凹面鏡表面の質量密度に比例するため、探索感度の向上には凹面鏡の表面を高い密度を持つ物質に置き換えることが有効である。
そこで、高精度に研磨されたガラス凹面鏡に蒸着によって薄膜を形成することを計画した。薄膜を形成する物質は質量密度が高いことに加えて、中性子に対する光学ポテンシャルが十分高く、中性子吸収断面積が小さいことが必要である。光学ポテンシャルが低い場合、J-PARCで用いる波長に対して中性子が凹面鏡を通り抜けwhispering gallery状態を形成することが出来ない。中性子吸収断面積が大きいと、凹面鏡表面で量子状態を形成する間に中性子が吸収され、高い準位の生存率が減少し干渉縞の観測が困難になる。当初は金の薄膜を計画していたが詳細に計算を行ったところ、吸収が問題になることが分かったため薄膜を形成可能で条件を満たすプラチナを選択した。
ガラス凹面鏡の鉛直方向の中央にプラチナ薄膜を真空蒸着し、鉛直方向の上下移動でガラス・プラチナ・ガラス面の比較が可能になるようにした。J-PARC MLF 2022年度のビームタイムで測定を行い、精密に研磨されたガラスと同様に真空蒸着によるプラチナ面でもwhispering gallery状態を観測することに成功した。
ガラス面での結果と同様に、プラチナ面でも準位の生存数に計算による予想との相違が生じているため、初期条件と凹面鏡での量子準位の時間発展についてモデル計算を向上させる必要がある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

真空蒸着によって形成した薄膜は精密に研磨されたガラスより表面が粗いため、whispering gallery状態を作ることが出来るかは自明では無かった。現在までの進捗では、精密に研磨されたガラス表面にプラチナ薄膜を蒸着した凹面鏡でwhispering gallery状態を観測することに成功している。計算モデルの向上が必要ではあるが、全体としてはおおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

今年度の成果により、真空蒸着によるプラチナ薄膜上でも中性子whispering gallery状態を形成することが確認出来た。次年度では、量子準位の初期条件、生存数に対するより精度の高い計算モデルを確立し、その計算に基づき、プラチナ薄膜のポテンシャルを用いるという条件下で未知短距離力探索に最適な凹面鏡形状（曲率半径、角度サイズ）を導く。実際に、最適な条件でガラス凹面鏡にプラチナ薄膜を蒸着した凹面鏡を作成し物理測定を行う。

Causes of Carryover

初年度にテスト実験を行ったガラス凹面鏡サンプルの中央部分にプラチナ薄膜を蒸着することで、新たにガラス凹面鏡を作成することなくプラチナ薄膜の試験とガラス面での測定が可能となり、成功裏にプラチナ薄膜を用いた試験測定を完了することが出来た。
次年度では最適化された形状のガラス凹面鏡を作成し、表面にプラチナ薄膜を真空蒸着する。ビームライン設置用の新たな治具を作成し、物理測定を行う。