Energy measurement of the Thorium-229 nuclear isomer toward a nuclear clock

• Project/Area Number: 18H01241
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Yamaguchi Atsushi 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (70724805)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菊永 英寿 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (00435645) ; 満田 和久 国立天文台, 先端技術センター, 特任教授 (80183961) ; 前畑 京介 帝京大学, 公私立大学の部局等, 教授 (30190317) ; 滝本 美咲 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核燃料・バックエンド研究開発部門 核燃料サイクル工学研究所 放射線管理部, 技術・技能職 (40832316) ; 中村 圭佑 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核燃料・バックエンド研究開発部門 核燃料サイクル工学研究所 放射線管理部, 技術・技能職 (80705054)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2019: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2018: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 原子核時計 / ガンマ線分光 / 超伝導転移端センサー / 原子時計 / 原子核分光 / カロリーメーター

Outline of Final Research Achievements

We determined the energy of the nuclear isomer state of Th-229 to be 8.30±0.92 eV via gamma-ray spectroscopy using a microcalorimeter based on transition edge sensors. The isomer energy was also measured by other groups by different experimental techniques. All results agreed with each other within the uncertainties. Our result paved the way for direct laser spectroscopy of Th-229 nuclei toward a nuclear clock.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

Th-229には、レーザーが作成可能な真空紫外領域の原子核遷移が存在する。この核遷移を使うと、高精度周波数標準である原子核時計が実現できると期待されている。研究開始当初、この核遷移の共鳴エネルギーの報告値はいくつかあったものの、互いに一致していなかった。本研究では、独自の手法によりこの遷移エネルギーを8.30±0.92 eVと決定した。本研究の報告値は、同時期に他のブループが異なる実験手法で測定した結果とも一致した。これにより、原子核時計の実現に向けた、レーザーによるTh-229原子核の精密レーザー分光の実現に道筋をつけることができた。

Research Products

• [Journal Article] Estimation of radiative half-life of 229mTh by half-life measurement of other nuclear excited states in 229Th (2021)
  • Author(s): Shigekawa Y.、Yamaguchi A.、Suzuki K.、Haba H.、Hiraki T.、Kikunaga H.、Masuda T.、Nishimura S.、Sasao N.、Yoshimi A.、Yoshimura K.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 104 Issue: 2 Pages: 024306-024306
  • DOI: 10.1103/physrevc.104.024306
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimized TES Microcalorimeters with 14eV Energy Resolution at 30keV for γ-Ray Measurements of the 229Th Isomer (2020)
  • Author(s): Muramatsu H.、Hayashi T.、Yuasa N.、Konno R.、Yamaguchi A.、Mitsuda K.、Yamasaki N. Y.、Maehata K.、Kikunaga H.、Takimoto M.、Nakamura K.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 200 Issue: 5-6 Pages: 452
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02458-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy of the Th229 Nuclear Clock Isomer Determined by Absolute γ-ray Energy Difference (2019)
  • Author(s): A. Yamaguchi, H. Muramatsu, T. Hayashi, N. Yuasa, K. Nakamura, M. Takimoto, H. Haba, K. Konashi, M. Watanabe, H. Kikunaga, K. Maehata, N.Y. Yamasaki, and K. Mitsuda
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 123 Issue: 22 Pages: 222501-222501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.222501
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 原子核時計実現にむけたトリウムイオンのトラップとレーザー分光 (2023)
  • Author(s): 山口敦史, 重河優大, 羽場宏光, 和田道治, 香取秀俊
  • Organizer: レーザー学会学術講演会 第43会年次大会
  • Invited
• [Presentation] An optical nuclear clock (2022)
  • Author(s): A. Yamaguchi
  • Organizer: Virtual Humboldt Colloquium, “Top Global Research” and the Humboldt network: New Frontiers of German-Japanese Scientific Cooperation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser spectroscopy of triply charged thorium ions towards a nuclear clock (2022)
  • Author(s): A. Yamaguchi, Y. Shigekawa, H. Haba, M. Wada, and H. Katori
  • Organizer: 2022 URSI-Japan Radio Science Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原子核時計実現にむけたトリウムイオントラップ装置の開発 (2022)
  • Author(s): 山口敦史, 重河優大, 羽場宏光, 和田道治, 香取秀俊
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Challenge to improve the 229Th isomer energy measurement with TES calorimeters (2021)
  • Author(s): K. Tanaka, K. Hirano, A. Yamaguchi, H. Muramatsu, T. Hayashi, N. Yuasa, K. Nakamura, M. Takimoto, H. Haba, K. Shirasaki, H. Kikunaga, K. Maehata, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda
  • Organizer: 19th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energy of the Th-229 nuclear clock isomer determined by absolute gamma-ray energy difference (2020)
  • Author(s): Atsushi Yamaguchi
  • Organizer: GIMRT-REMAS2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子核時計実現に向けたトリウム229アイソマーエネルギーの測定 (2020)
  • Author(s): 山口 敦史
  • Organizer: 2020年電子回路研究会 周波数精密計測とその応用
• [Presentation] Nuclear Clock based on Thorium-229 (2020)
  • Author(s): 山口 敦史
  • Organizer: 2020年度 東北大学金属材料研究所放射線業務従事者再教育
• [Presentation] 全固体型原子核時計実現に向けたトリウム229アイソマー状態のエネルギー測定 (2019)
  • Author(s): 山口 敦史
  • Organizer: SMART2019
  • Invited
• [Presentation] Search for the low-energy nuclear transition in Th-229 towards a nuclear clock (2019)
  • Author(s): 山口 敦史
  • Organizer: アトムの会
• [Presentation] 超伝導遷移端カロリメータによるトリウム 229 アイソマーエネルギーの測定 (2019)
  • Author(s): 山口 敦史, 村松 はるか, 林 佑, 満田 和久, 湯浅 直樹, 前畑 京介, 中村 圭佑, 滝本 美咲, 菊永 英寿
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] 229-Th異性体準位のTESマイクロカロリメータを用いた分光研究 (2019)
  • Author(s): 村松 はるか
  • Organizer: 第18回 高エネルギー宇宙物理連絡会
• [Presentation] 原子核時計実現に向けたTh-229原子核時計遷移探索実験 (2019)
  • Author(s): 山口 敦史, 村松 はるか, 満田 和久, 湯浅 直樹, 前畑 京介, 中村 圭佑, 滝本 美咲, 羽場 宏光, 菊永 英寿
  • Organizer: 2019重元素核化学ワークショップ
• [Presentation] 原子核時計の実現に向けて (2018)
  • Author(s): 山口 敦史
  • Organizer: 異分野基礎科学研究所特別講演会
  • Invited
• [Presentation] トリウム229異性体のX線マイクロカロリメータを用いた分光実験 (2018)
  • Author(s): 村松 はるか, 湯浅 直樹, 林 佑, 紺野 良平, 山口 敦史, 満田 和久, 山崎 典子, 菊永 英寿, 中村 圭佑, 滝本 美咲, 前畑 京介
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] TES型マイクロカロリーメータによる233U線源のγ線スペクトルの解析手法 (2018)
  • Author(s): 湯浅 直樹, 前畑 京介, 村松 はるか, 満田 和久, 山口 敦史, 中村 圭佑
  • Organizer: 第79回 応用物理学会秋季学術講演会