静周期磁場によるポジトロニウムの超微細構造の観測

• 研究課題/領域番号: 19K12645
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分80040:量子ビーム科学関連
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 永田 祐吾 東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 助教 (30574115)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: ポジトロニウム / 運動誘起共鳴 / 原子分光 / コヒーレント共鳴励起 / 陽電子 / sub-THz波 / 原子物理 / 磁気共鳴 / テラヘルツ波 / 原子共鳴

研究開始時の研究の概要

速度可変ポジトロニウムビームを用いて、静周期場による原子の共鳴（運動誘起共鳴）によるポジトロニウムの超微細構造(203 GHz)の観測を超高真空中で行う。成功すれば、運動誘起共鳴のテラヘルツ波帯での初めての実証、運動誘起共鳴による反物質あるいはエキゾチック原子の系での初めての測定となる。従って運動誘起共鳴の原理の検証とともに、運動誘起共鳴による反物質研究の第一歩となる。さらに、従来の研究より10倍良い精度で精密分光を試み、ポジトロニウム超微細構造の直接測定による量子電磁力学(QED)の検証を行う。

研究成果の概要

電子と陽電子で構成される水素様原子のポジトロニウム（Ps）における、基底状態の超微細構造遷移周波数203 GHzの測定は、QEDのテストとして注目されている。本研究では速度可変Psビームを用いて、この周波数の測定に運動誘起共鳴（MIR）を適用した。MIRには静的な周期磁場が必要なため、強磁性体の鉄を用いた多層構造の磁石である多層磁気格子を開発した。実際に実験を行い、Psの超微細構造共鳴遷移の観測に成功した。これはMIRのテラヘルツ波帯での初めての観測であり、さらにMIRによる反物質研究の第一歩となった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ポジトロニウム（Ps）の基底状態の超微細構造遷移周波数203 GHzの測定はQEDのテストとして注目されており、従来、マイクロ波やレーザーによって測定されてきた。今回、運動誘起共鳴（MIR）による新しい測定方法を実証することができた。また、多層磁気格子が生成する周期磁場の強度は、電磁波のパワーに換算すると100 MW/cm2にも達し、これは従来の方法に対して1万倍強力であることが分かった。この測定はMIRのテラヘルツ波帯での初めての観測であり、さらにMIRによる反物質研究の第一歩となった。

研究成果

• [雑誌論文] Measurement of the principal quantum number distribution in a beam of antihydrogen atoms (2021)
  • 著者名/発表者名: Kolbinger B.、Amsler C.、Cuendis S. Arguedas、Breuker H.、Capon A.、Costantini G.、Dupre P.、Fleck M.、Gligorova A.、Higaki H.、Kanai Y.、Kletzl V.、Kuroda N.、Lanz A.、Leali M.、Maeckel V.、Malbrunot C.、Mascagna V.、Massiczek O.、Matsuda Y.、Murtagh D. J.、Nagata Y.、Nanda A. et al.
  • 雑誌名: The European Physical Journal D 巻: 75 号: 3 ページ: 91-91
  • DOI: 10.1140/epjd/s10053-021-00101-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Motion-Induced Transition of Positronium through a Static Periodic Magnetic Field in the Sub-THz Region (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagata Y.、Michishio K.、Iizuka T.、Kikutani H.、Chiari L.、Tanaka F.、Nagashima Y.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 17 ページ: 173202-173202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.173202
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Threshold Photodetachment Spectroscopy of the Positronium Negative Ion (2020)
  • 著者名/発表者名: Michishio Koji、Kuma Susumu、Nagata Yugo、Chiari Luca、Iizuka Taro、Mikami Riki、Azuma Toshiyuki、Nagashima Yasuyuki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 6 ページ: 063001-063001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.063001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A hydrogen beam to characterize the ASACUSA antihydrogen hyperfine spectrometer (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Malbrunot, M. Diermaier, M.C. Simon, C. Amsler, S. Arguedas Cuendis, H. Breuker, C. Evans, M. Fleck, B. Kolbinger, A. Lanz, M. Leali, V. Maeckel, V. Mascagna, O. Massiczek, Y. Matsuda, Y. Nagata, C. Sauerzopf , L. Venturelli, E. Widmann, M. Wiesinger, Y. Yamazaki and J. Zmeskal
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 巻: 935 ページ: 110-120
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.04.060
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of radiation torque exerted on an alkali-metal vapor cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Hatakeyama , Runa Yasuda, Yutaka Goto, Natsumi Chikakiyo, Takahiro Kuroda, and Yugo Nagata
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 9 号: 7 ページ: 075002-075002
  • DOI: 10.1063/1.5097258
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 静的な回転周期場を用いた原子共鳴 (2022)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾、長嶋泰之
  • 学会等名: 日本物理学会、第７７回年次大会
• [学会発表] 静的な回転周期場による原子の共鳴遷移 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾、長嶋泰之
  • 学会等名: 原子衝突学会、第４６回年会
• [学会発表] Hyperfine resonance of positronium using a static periodic magnetic field (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagata, K. Michishio, T. Iizuka, H. Kikutani, L. Chiari, F. Tanaka and Y. Nagashima
  • 学会等名: PPC12.5, 12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] 静的な周期磁場を通過するポジトロニウムの超微細構造の共鳴遷移 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾，満汐孝治，飯塚太郎，鞠谷温人，L. Chiari，田中文，長嶋泰之
  • 学会等名: 低速陽電子実験施設研究会
• [学会発表] ポジトロニウム負イオンのしきい光脱離の赤外レーザー分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 満汐孝治, 久間晋, 永田祐吾, Chiari Luca, 飯塚太郎, 三上力久, 東俊行, 長嶋泰之
  • 学会等名: 低速陽電子実験施設研究会
• [学会発表] 運動誘起共鳴によるポジトロニウムの超微細構造共鳴遷移の周期数依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾，三上力久，長嶋泰之
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] ポジトロニウム負イオンのしきい光脱離分光実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 満汐孝治, 久間晋, 永田祐吾, Chiari Luca, 飯塚太郎, 三上力久, 東俊行, 長嶋泰之
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 極低温タングステンからの低速ミュオン生成実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾，有留翔一，神田聡太郎，門野良典，下村浩一郎，長嶋泰之
  • 学会等名: 原子衝突学会第45回年会
• [学会発表] ポジトロニウム干渉実験に向けたグラフェンの電子線回折スポットの加熱処理による尖鋭化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三上力久，永田祐吾，長嶋泰之
  • 学会等名: 原子衝突学会第45回年会
• [学会発表] A monoenergetic energy-tunable positronium beam and its applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagata, K. Michishio and Y. Nagashima
  • 学会等名: 4th International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hyperfine resonance of positronium atoms using a static periodic magnetic field (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagata, K. Michishio, T. Iizuka, H. Kikutani, F. Tanaka, L. Chiari, Y. Nagashima
  • 学会等名: POSMOL 2019 (XX International Workshop on Low-Energy Positron and Positronium Physics XXI International Symposium on Electron-Molecule Collisions and Swarms)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomic resonance of the hyperfine structure of positronium using a multi-layered transmission magnetic grating (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagata, K. Michishio, T. Iizuka, F. Tanaka, H. Kikutani, L. Chiari, Y. Nagashima
  • 学会等名: ICPEAC 2019 (XXXIst International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions)
  • 国際学会
• [学会発表] Applications of a high-brightness energy-tunable positronium beam produced using the photodetachment of positronium negative ions (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagashima, K. Michishio, L. Chiari, Y. Nagata, F. Tanaka, T. Iizuka, H. Kikutani and K. Tokesi
  • 学会等名: ICPEAC 2019 (XXXIst International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions)
  • 国際学会
• [学会発表] Progress in the study of energy tunable Ps beams employing the Ps- photodetachment technique (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagashima, K. Michishio, L. Chiari, Y. Nagata , H. Terabe , S. Iida , F. Tanaka , T. Iizuka , and N. Oshima
  • 学会等名: 15th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques and Applications (SLOPOS-15)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A novel high-brightness and energy-tunable positronium beam and future applications (2019)
  • 著者名/発表者名: L. Chiari, K. Michishio, Y. Nagata, T. Iizuka, F. Tanaka, H. Kikutani and Y. Nagashima
  • 学会等名: 15th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques and Applications (SLOPOS-15)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 運動誘起共鳴によるポジトロニウムの超微細構造遷移の観測実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 飯塚太郎，永田祐吾，満汐孝治，鞠谷温人，田中文，L. Chiari，長嶋泰之
  • 学会等名: 原子衝突学会第44回年会
• [学会発表] 静周期磁場によるポジトロニウム超微細構造の観測実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾，飯塚太郎，満汐孝治，鞠谷温人，田中文，L. Chiari，長嶋泰之
  • 学会等名: 日本物理学会「秋季大会」
• [学会発表] sub-THz領域におけるポジトロニウムの運動誘起共鳴 (2019)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾，満汐孝治, 飯塚太郎, 田中文，鞠谷温士，L. Chiari,大島永康, 長嶋泰之
  • 学会等名: 京都大学原子炉実験所専門研究会「陽電子科学とその理工へ応用」