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Precise measurement of the mass and magnetic moment of muon using electromagnetic traps and the search for new physics

Research Project

Project/Area Number 20H05646
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section B
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

下村 浩一郎  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, 教授 (60242103)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 藤田 全基  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20303894)
清水 裕彦  名古屋大学, 理学研究科, 教授 (50249900)
中野 岳仁  茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (50362611)
吉田 光宏  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (60391710)
飯沼 裕美  茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (60446515)
佐々木 憲一  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 教授 (70322831)
仁尾 真紀子  国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 上級研究員 (80283927)
友野 大  大阪大学, 核物理研究センター, 助教 (40415245)
Project Period (FY) 2020-08-31 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥196,430,000 (Direct Cost: ¥151,100,000、Indirect Cost: ¥45,330,000)
Fiscal Year 2024: ¥21,320,000 (Direct Cost: ¥16,400,000、Indirect Cost: ¥4,920,000)
Fiscal Year 2023: ¥40,430,000 (Direct Cost: ¥31,100,000、Indirect Cost: ¥9,330,000)
Fiscal Year 2022: ¥34,710,000 (Direct Cost: ¥26,700,000、Indirect Cost: ¥8,010,000)
Fiscal Year 2021: ¥60,710,000 (Direct Cost: ¥46,700,000、Indirect Cost: ¥14,010,000)
Fiscal Year 2020: ¥39,260,000 (Direct Cost: ¥30,200,000、Indirect Cost: ¥9,060,000)
Keywordsミュオン / ミュオニウム / トラップ / 超微細構造 / 磁気モーメント / 電磁トラップ / 素粒子 / レプトン
Outline of Research at the Start

本研究ではミュー粒子にかかわる相互に関連した二つの精密測定研究を実施する。一つはこれまでの実績の発展として、2体束縛系であるミュオニウム(正ミュオンと電子の束縛系)の磁場下でのゼーマン副準位を高精度で測定することで、従来より一桁以上高い精度でミュオニウムの超微細構造および、ミュオンの磁気モーメントと質量を決定する。もう一つは、超低速ミュオンビームとペニングトラップの手法を組み合わせることにより、単一粒子ミュオンの測定を新たに開始し、ミュオンの磁気モーメントと質量をミュオニウムとは全く独立に、最高精度で決定する。これらの結果を総合し、素粒子標準理論を超えた新物理の探索を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本測定を実施するHラインは、2022年度にミュオンと陽電子を分離するDCセパレタの設置が完成し、調整運転を経て本格的に運用が開始された。現在2024年度5月下旬からの高磁場下でのミュオニム超微細構造測定にむけて、MRI磁石の励磁試験が順調に終了し、精密磁場調整を進めている。また、共鳴キャビティも1.7Tおよび2.9T用の実機の調整が終了している。また、Dラインにおいて実施された高精度な測定結果を、これまで培ってきたラビ振動分光法など我々独自の手法を用いて解析を進め学会発表や論文発表を行った。
一方、2022年度に実機の製作に取りかかったトラップについては、2023年度中に完成し、信号が見やすい負ミュオンの捕獲実験を実施し、世界初のミュオントラップを実現した。
イオン化レーザーはより大強度化を目指してアンプ系の増強等を進めた。尚、3He NMR測定装置は引き続き開発を進めているが、初期実験は今までに確立しているH2Oプローブを使用して実施することとした。
これにより、単一自由粒子としてのミュオンの運動を観測し、ミュオン粒子そのものの質量や磁気モーメントをこれまでにない高精度で決定可能となる。これは、超低速ミュオンビームを大量に生成可能な世界で唯一の施設であるJ-PARCでのみ観測可能な手法である。
以上により得られた結果は、素粒子標準理論では説明が困難であったミュオン粒子とミュオニウムを含む物理現象を説明可能とする厳密で精緻な新物理の探索を行う上で大変重要である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

2022年度に実機の製作に取りかかったトラップについては、当初の予定通り2023年度中に完成し、以前より信号が見やすい負ミュオンの捕獲実験を実施し、世界初のミュオントラップを実現した。

Strategy for Future Research Activity

本測定を実施するHラインは、2022年度にミュオンと陽電子を分離するDCセパレタの設置が完成し、調整運転を経て本格的に運用が開始された。一方、2022年度に実機の製作に取りかかったトラップについては、2023年度中に完成し、現在より信号が見やすい負ミュオンの捕獲実験を実施し、世界初のミュオントラップを実現した。2024年度はレーザーの更なる大強度化を目指しアンプ系の増強等を継続するとともに、3Heプローブについても引き続き開発を進め、正ミュオンの高精度捕獲を進めていく。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(8 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Annual Research Report   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report
  • Research Products

    (53 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (16 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 14 results) Presentation (35 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 4 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] The University of Massachusetts/Argonne National Laboratory(米国)

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      Shimomura Koichiro、Mibe Tsutomu、et al.
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      Interactions

      Volume: 245 Issue: 1 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1007/s10751-024-01863-8

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      R. Iwai, et al.
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    • DOI

      10.22323/1.452.0007

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      P. Strasser, [...], R. Iwai, et al.,
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      Physical Review Letters

      Volume: 131 Issue: 25 Pages: 25-22

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.253003

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      T. Yamazaki, N. Kawamura, K. Shimomura, Y. Miyake, Y. Oishi, T. Adachi, P. Strasser, A. Koda, H. Fujimori, T. Yuasa, Y. Ikedo, Y. Kobayashi, K. Sasaki, T. Mibe, T. Ushizawa, Y. Higashino, D. Nagao, M. Aoki, K. Hase, S. Kaneko, R. Tagawa, T. Uematsu, Y. Seiya, S. Uetake, T. Masuda, H. Tada, S. Sugiyama, and K. Suzuki
    • Journal Title

      EPJ Web Conf. 282

      Volume: 282 Pages: 01016-01016

    • DOI

      10.1051/epjconf/202328201016

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      神田聡太郎、西村昇一郎、下村浩一郎
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      高エネルギーニュース

      Volume: Vol.41 No.1 Pages: 1-10

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      Shimomura K、Koda A、Pant A D、Natori H、Fujimori H、Umegaki I、Nakamura J、Tampo M、Kawamura N、Teshima N、Strasser P、Kadono R、Iwai R、Matoba S、Nishimura S、Kanda S、Takeshita S、Yuasa T、Yamazaki T、Miyake Y、Kobayashi Y、Oishi Y、Nagatani Y、Ikedo Y、Higemoto W、Ito T
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      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 2462 Issue: 1 Pages: 012033-012033

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    • Author(s)
      Iwai R、Abe M、Fukumura S、Hiraishi M、Kanda S、Kawamura S、Nishimura S、Okabe H、Sasaki K、Strasser P、Shimomura K、Tada H、Teshima N、Torii H A
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 2462 Issue: 1 Pages: 012019-012019

    • DOI

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      Sasaki K.、Sugita M.、Abe M.、Iinuma H.、Ogane C.、Mibe T.、Shimomura K.、Ogitsu T.
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      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 32 Issue: 6 Pages: 9002107-9002107

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      Tada Hiroki、Yoshizu Fumihiro、Oyama Shun、Tanaka Toya、Sasaki Ken-ichi、Shimomura Koichiro
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      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 32 Issue: 6 Pages: 9002205-9002205

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  • [Journal Article] Muon spin spectroscopy2022

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      Hillier Adrian D.、Blundell Stephen J.、McKenzie Iain、Umegaki Izumi、Shu Lei、Wright Joseph A.、Prokscha Thomas、Bert Fabrice、Shimomura Koichiro、Berlie Adam、Alberto Helena、Watanabe Isao
    • Journal Title

      Nature Reviews Methods Primers

      Volume: 2 Issue: 1 Pages: 4-4

    • DOI

      10.1038/s43586-021-00089-0

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    • Author(s)
      Ino Takashi、Fukumura Seiso、Strasser Patrick、Fujita Masaki、Ikeda Yoichi、Kanda Sohtaro、Kitaguchi Masaaki、Nishimura Shoichiro、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Shimizu Hirohiko M.、Shimomura Koichiro
    • Journal Title

      Proceedings of the 24th International Spin Symposium (SPIN2021)

      Volume: 37 Pages: 021208-021208

    • DOI

      10.7566/jpscp.37.021208

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Proposal for new measurements of muonic helium hyperfine structure at J-PARC2022

    • Author(s)
      Fukumura Seiso、Strasser Patrick、Ino Takashi、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Kanda Sohtaro、Kitaguchi Masaaki、Shimomura Koichiro、Shimizu Hirohiko M.、Torii Hiroyuki A.、Nishimura Shoichiro
    • Journal Title

      EPJ Web of Conferences

      Volume: 262 Pages: 01012-01012

    • DOI

      10.1051/epjconf/202226201012

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    • Author(s)
      S. Nishimura, H. A. Torii, Y. Fukao, T. U. Ito, and K. Shimomura et al. (MuSEUM Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 104 Issue: 2 Pages: 1-6

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      10.1103/physreva.104.l020801

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  • [Journal Article] Development of microwave cavities for measurement of muonium hyperfine structure at J-PARC2021

    • Author(s)
      Tanaka K S、Iwasaki M、Kamigaito O、Kanda S、Kawamura N、Matsuda Y、Mibe T、Nishimura S、Saito N、Sakamoto N、Seo S、Shimomura K、Strasser P、Suda K、Tanaka T、Torii H A、Toyoda A、Ueno Y、Yoshida M
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2021 Issue: 5

    • DOI

      10.1093/ptep/ptab047

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    • Peer Reviewed / Open Access
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    • Author(s)
      Kanda S.、Fukao Y.、Ikedo Y.、Ishida K.、Iwasaki M.、Kawall D.、Kawamura N.、Kojima K.M.、Kurosawa N.、Matsuda Y.、Mibe T.、Miyake Y.、Nishimura S.、Saito N.、Sato Y.、Seo S.、Shimomura K.、Strasser P.、Tanaka K.S.、Tanaka T.、Torii H.A.、Toyoda A.、Ueno Y.
    • Journal Title

      Physics Letters B

      Volume: 815 Pages: 136154-136154

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2021.136154

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    • Author(s)
      SHIMOMURA Koichiro
    • Journal Title

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      Volume: 19 Issue: 3 Pages: 80-86

    • DOI

      10.2477/jccj.2020-0024

    • NAID

      130007992638

    • ISSN
      1347-1767, 1347-3824
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  • [Presentation] ラビ振動分光によるミュオニックヘリウム原子超微細構造の測定2024

    • Author(s)
      山中隆志, Patrick Strasser, 西村昇一郎, 下村浩一郎, 神田聡太郎, 佐々木憲一, 阿部充志, 福村省三, 多田紘規, 後藤優, 伏原麻尋, 奥平琢也, 鳥居寛之, MuSEUM Collaboration, muon g-2/EDM検出器グループ
    • Organizer
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      S. Nishimura, T. Imamura, P. Jaikaew, S. Kita, K. Nakamura, I. Watanabe
    • Organizer
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    • Organizer
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      Y. Goto, S. Fukumura, P. Strasser, T. Ino, R. Iwai, S. Kanda, S. Kawamura, M. Kitaguchi, S. Nishimura, T. Oku, T. Okudaira, H. M. Shimizu, K. Shimomura, H. Tada, H. Torii
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      K. Shimomura and T. U. Ito, eds. Shin-ichiOrimo, KatsuyukiFukutani, Ken-ichiFujita,
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    • Publisher
      KYORITSU SHUPPAN CO., LTD.
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Published: 2020-09-07   Modified: 2024-12-25  

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