| 研究課題/領域番号 |
20H00150
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 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
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
黒田 直史 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (10391947)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
40,560千円 (直接経費: 31,200千円、間接経費: 9,360千円)
2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2021年度: 18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円)
2020年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
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| キーワード | 反水素 / ラムシフト分光 / 反水素原子 / 反陽子ビーム / 荷電交換反応 / ラムシフト / マイクロ波分光 / 反水素分光 / 反陽子 / 荷電半径 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，反陽子の荷電半径と呼ばれる電気的な広がり，つまり反陽子の大きさを測定する。通常の水素原子に含まれる陽子の荷電半径は，近年これまで知られていた値より小さかった可能性が高まっている。陽子荷電半径問題とよばれるこの問題に反物質の側から迫るとともに，これまで不可能だった陽子と反陽子の大きさの比較を通して物質と反物質の間のCPT対称性のテストを行う。そのために，水素原子ビームを用いて実験装置と手法の開発を進めて十分な精度を得たのち，CERNで供給される反水素原子ビームを用いてマイクロ波分光を行う。反水素原子のラムシフトを高精度で測定することで，反陽子の荷電半径を世界で初めて決定する。
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| 研究実績の概要 |
当初の見込みよりも反陽子の強度が数分の一、陽電子の強度が数十分の一しかない困難な条件下で、ラムシフト分光に使える2S状態反水素原子の検出にむけ、まず反水素原子の生成の確認実験を行った。本研究における反水素合成は、これまでの幾つかの実験とは違って6keVという比較的高い運動ネネルギーを持つ反水素原子を生成する。これは、反陽子とポジトロニウムとの荷電交換反応において特異的なエネルギーであり、2S状態が多く含まれると予想されている。反水素原子の検出には、反陽子ビーム輸送のトリガとシンチレータからの信号の同時計測および、MCPに反水素原子が衝突したときに出てくる荷電パイ中間子の飛跡の検出による解析を試みた。MCPの後段には蛍光板をつけてあり、これを1マイクロ秒の短い時間でシャッターを切れる高速カメラを用いて、反陽子ビームのトリガにあわせ画像を記録できるようにした。およそ7000回の反陽子ビームとポジトロニウムの「混合」とおよそ8500回のバックグラウンドを取得することに成功した。現状では1回あたり0.5から2個の反水素原子が期待されており、現在取得したデータの解析を進めている。
また、反陽子ビームの質的改善を図るため、新規に開発されている反陽子トラップでの反陽子の冷却と密度分布制御にむけた電子プラズマでの模擬実験を行い、電子プラズマの径方向圧縮と反陽子冷却の最初の兆候を確認した。
マイクロ波分光装置については、反水素原子ビームラインに組込むためのチャンバーと分光器のサポート、真空導入機構を設計・製作した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
反水素原子合成とその検出に重点的取り組んだ。加速器および減速器側が当初の性能を発揮できておらず、そこから予想される反水素原子の強度面で大きな誤算となっている。その状況下で、反水素原子生成を確認するために、生成された反水素原子がMCPにぶつかって消滅する際にできるパイ中間子の飛跡を画像解析で検出することを試みた。十分な実験データは取得できたため、その解析を進めており、結果を論文にまとめているところである。
陽電子の強度についてはクライストロンの不調に起因しており、交換または修理の対応を待っているところである。
反陽子ビームについては、ELENAからのビームをドリフトチューブで減速するだけでは、エミッタンスの問題からポジトロニウム標的の大きさに対して十分に集束できないため、トラップ導入によるビームの質的改善が重要となっている。トラップについては研究代表者が別の実験での開発経験があるため、本実験専用のトラップの開発とテストに参加して、反陽子ビーム強度と質の改善を図っている。
マイクロ波分光装置のインストール準備は平行して進めており、反水素原子ビームラインへの導入のためのチャンバーやサポートを設計・製作した。
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| 今後の研究の推進方策 |
水素原子ビームでのテストは現地での反陽子トラップの開発作業が済み次第行う予定となっている。このテストで、水素原子のラムシフト遷移と超微細構造選択装置の動作を確認し、水素原子のラムシフトのスペクトルを得る予定である。
反水素原子については、まず、陽電子ビーム強度改善により、反水素原子の強度を増やしたのち、ライマンアルファ光を検出することで、2S状態反水素原子ビームを初めて確認する実験を行う。そののち、マイクロ波によるラムシフト遷移の確認、超微細構造選択による高精度分光へと進む。
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