レーザー精密分光によるミュー粒子質量の測定

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K13944
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 今井 康貴 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (30888342)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 素粒子実験 / ミューオニウム / 高出力光源 / Yb添加ファイバ増幅器

Outline of Annual Research Achievements

本研究は水素様純レプトン原子ミューオニウムの1S-2S遷移の精密分光により，ミュー粒子に関する基礎物理定数の決定精度を制限しているミュー粒子質量の不確かさを低減することを目標とする．ミュー粒子は強い相互作用(QCD)の影響を受けないため，その物理定数の精密測定は量子電磁力学(QED)のみならず，電弱スケールの新物理の探索へともつながる．本研究では，ミューオニウム1S-2S遷移分光に用いる244 nm高出力CW励起光源の開発を行った．
244 nmの基本波光源としてYb添加ファイバを用いた光増幅器を開発し，976 nm光源の高出力化に成功した．またYb添加ファイバ光増幅器にはPhotodarkening等による増幅器出力の時間減衰が実用面で問題となるが，Photodarkeniningを起こしにくい素材を母材に添加したYb添加ファイバを使用することで，長時間の安定した出力を達成した．開発したプロトタイプ光源はJ-PARCに搬入し使用を開始している．
J-PARCの高強度ミュー粒子ビームラインにおいての実験では，244 nmパルスレーザーを用いたミューオニウムの1S-2S遷移分光実験を行い，1S-2SのF=1-F'=1間遷移を先行研究の約60倍の信号レートで観測する事に成功した．また，F=1-F'=1間遷移よりも遷移レートが低く，先行研究での統計量では観測が困難だった超微細構造間であるF=0-F'=0間遷移を世界で初めて観測した．

Research Products

• [Presentation] ミューオニウム1S-2Sパルスレーザー分光 III (2023)
  • Author(s): 今井康貴, 足立泰平, 原秀明, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 上岡修星, 河村成肇, 幸田章宏, 増田孝彦, 三部勉, 宮本祐樹, 嵯峨航, 下村浩一郎, Patrick Strasser, 鈴木一仁, 植竹智, 山基真佑, 山崎高幸, 吉田光宏, 吉村浩司, Ce Zhang
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会