反水素原子の超微細構造分光によるCPT対称性の探究

• 研究課題/領域番号: 19KK0075
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松田 恭幸 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (70321817)
• 研究分担者: 鳥居 寛之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (20302838) ; 田島 美典 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, 特別研究員 (20821838)
• 研究期間 (年度): 2019-10-07 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円); 2021年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2020年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2019年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
• キーワード: 反水素 / 反陽子 / CPT対称性 / マイクロ波分光 / 超微細構造 / CPT不変性 / ペニングトラップ / 反水素原子

研究開始時の研究の概要

現在の物理学では、物質と反物質の間には厳密な対称性が成り立つ（CPT対称性）とされていますが、現在の宇宙には、物質はあっても反物質はほとんど存在しないことが知られています。この「物質優勢宇宙の誕生」の謎は現在の物理学が抱える最大の謎の一つです。
この研究の目的は、そもそもCPT対称性がどこまで成り立っているのかを反水素原子の分光によって実験的に検証しようというものです。反水素原子ビームを偏極した状態で引き出す独自の手法により、反水素原子の超微細構造を100万分の1の精度で測定し、同様に反水素原子の分光を目指す他の実験よりもCPT対称性の検証に対して高感度となる比較を行うことを目標としています。

研究成果の概要

CERN AD（反陽子減速器）に新たに設置された ELENA減速蓄積リングから引き出される高強度・高輝度の低速反陽子ビームを最大限に活用し、効率的に蓄積・冷却し、冷えた反水素原子を大量に原子ビームとして引き出すための開発を行った。
ELENAからのビーム特性に最適化された反陽子減速装置を新たに設計・設計するとともに、反陽子を蓄積するための多重電極ペニングトラップを更新し、同時に実験装置をリモートで制御する体制を整えることで、ADの運転期間中24時間継続してビームを無駄なく利用できる体制を整えた。1年間に用いることができる反陽子数を飛躍的に増大させることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

現在の宇宙に物質は存在するが反物質はほとんど存在しないのは何故か、という謎を解明するために、我々はもっとも単純な物質である水素原子と、もっとも単純な反物質である反水素原子の性質の違いを精密に調べるための研究を CERN AD 施設において行ってきた。
本研究においてはADにおいて新たに ELENA が稼働するのに合わせ、この装置から供給される反陽子ビームを最大限に利用するために既存の装置を大幅に更新・改良し、実験に利用できる反陽子の数を飛躍的に向上させることに成功した。反水素分光実験の精度を大きく向上するとともに、反陽子と原子間の散乱実験等の他の研究の可能性も拓くこととなった。

研究成果

• [国際共同研究] ステファンマイヤー研究所/ウィーン大学(オーストリア)
• [国際共同研究] 欧州原子核研究機構（CERN）(スイス)
• [国際共同研究] 核物理研究所（INFN）/ブレシア大学/ミラノ大学(イタリア)
• [国際共同研究] ステファン・マイヤー研究所(オーストリア)
• [国際共同研究] INFN研究所/ブレシア大学/インサブリア大学(イタリア)
• [国際共同研究] CERN研究所(スイス)
• [国際共同研究] ステファン・マイヤー研究所(オーストリア)
• [国際共同研究] INFN研究所/ブレシア大学/インサブリア大学(イタリア)
• [国際共同研究] CERN研究所(スイス)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] ステファン・マイヤー研究所(オーストリア)
• [国際共同研究] CERN(スイス)
• [国際共同研究] ブレシア大学(イタリア)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [雑誌論文] Upgrade of ASACUSA’s antihydrogen detector (2023)
  • 著者名/発表者名: Kraxberger V., et al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1045 ページ: 167568-167568
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167568
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Minimizing plasma temperature for antimatter mixing experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: Hunter E.D. et al.
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 262 ページ: 01007-01007
  • DOI: 10.1051/epjconf/202226201007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reducing the background temperature for cyclotron cooling in a cryogenic Penning?Malmberg trap (2022)
  • 著者名/発表者名: Amsler C., et al.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 29 号: 8 ページ: 083303-083303
  • DOI: 10.1063/5.0093360
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] Antiproton beams with low energy spread for antihydrogen production (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Tajima et al.
  • 雑誌名: JOURNAL OF INSTRUMENTATION 巻: 14 号: 05 ページ: P05009-P05009
  • DOI: 10.1088/1748-0221/14/05/p05009
  • 査読あり / オープンアクセス / 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
• [学会発表] 反陽子蓄積リング施設ELENAにおける反陽子トラップ (2023)
  • 著者名/発表者名: 田島美典
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] ELENA 反陽子ビームの高効率トラップ用ドリフトチューブの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒田直史
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会