ミュオニウム原子超微細構造の高精度ラビ振動分光によるミュオン質量の精密決定

• 研究課題/領域番号: 21H04463
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 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: 鳥居 寛之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (20302838)
• 研究分担者: 神田 聡太郎 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, 助教 (10800485) ; 西村 昇一郎 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, 特別助教 (20836431) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 42,640千円 (直接経費: 32,800千円、間接経費: 9,840千円); 2023年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2022年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円); 2021年度: 20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)
• キーワード: ミュオニウム原子 / 超微細構造 / 強磁場 / マイクロ波分光 / Rabi振動分光 / 空洞共振器 / NMRプローブ

研究開始時の研究の概要

ミュー粒子（ミュオン）と電子からなるミュオニウム原子の基底状態超微細構造を強磁場中でマイクロ波分光する。分光精度 2 ppb、ミュー粒子の磁気モーメントおよび質量の決定精度 15 ppb を目指す。J-PARC 加速器施設で供給される大強度ビームを利用し、ゼロ磁場での測定のノウハウを生かしつつ、新たに編み出したRabi振動分光法を活用することで、統計的にも系統的にも不確かさの抑制が期待できる。従来の精度を一桁凌駕することで、原子束縛系におけるこれまでの量子電磁力学の検証を超えて、電弱相互作用の効果を観測でき、更には素粒子標準理論を超えた新物理の探索が見通される。

研究実績の概要

本研究は正電荷ミュオンと電子のクーロン束縛系であるミュオニウム原子について、基底状態の超微細構造をマイクロ波によるRabi振動分光を駆使して世界最高の 2 ppb の精度で分光し、ミュオンの磁気モーメントおよび質量を決定することを目指している。
強磁場環境での測定では 1.7 T や 2.9 T の静磁場中でのゼーマン分裂を利用する。先に実験する 1.7 T の磁場中では、既存の円筒形空洞共振器を使う。これは、ゼーマン分裂した準位間で測定すべき２本の遷移周波数の比が、円筒形共振器の２つのモードとの比に一致する特徴をもった磁場強度だからである。一方、更に精度向上が期待できる 2.9 T の磁場中においては、円筒形ではだめで、縦横の長さが２本のそれぞれのマイクロ波波長に対応するような方形共振器の開発が必要となる。本年度の研究期間において、2.9 T の強磁場中で使うためのマイクロ波空洞共振器をシミュレーションを駆使して設計したのち、電子ビーム熔接の技術を用いることで 10 mm と薄い壁厚を実現した原型を製作して完成させた。ベクトルネットワークアナライザーを利用してモード特性を測定し、２つのモード TM210 と TM120 について周波数掃引に応じて共振周波数を調整するための tuning bar を動かすことにより、必要な周波数帯域が確保されていること、また熔接に伴うわずかな歪みによる共振周波数のずれも補正できていることが確認された。共振の鋭さを表す Q値も30000と優れた値を示した。
また、1.7 T の超伝導磁石を新たに建設された H ライン実験室に設置し、そこでの励磁試験を行なった。また、プローブの作る局所磁場が全体の磁場に影響を与えない程度までにシールドした磁場空間分布測定器が完成し、これを使って強磁場における磁場空間分布の一様性を測定すべく、調整を進めている。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

ミュオニウム原子のマイクロ波分光実験を強磁場中でいよいよ本格的に開始する予定であったが、ミュオンビームを供給する J-PARC 加速器施設において、大強度ミュオン H ビームラインの完成の遅れに加えて、二度の火災が生じ、予定されていたビームタイムが二回とも中止となってしまい、追加で半年の延期を余儀なくされた。とは言え、ビーム実験を待つ間にも、2.9 T の強磁場中で使うためのマイクロ波空洞共振器を設計・製作をして完成させ、その周波数特性などの測定も完了させ、結果は良好である。また、磁場測定のための NMR プローブを完成させた。施設もようやく復旧して我々の実験グループもミュオン H ビームラインからの大強度ビームで実験を開始できる目処がついた。

今後の研究の推進方策

ミュオン H ビームラインから実験ユーザー向けに高統計の大強度ビームの供給が始まり、今後強磁場中の調整を進めて、いよいよ強磁場中におけるミュオニウム分光実験を開始する。これまでに準備してきた24チャンネルのNMRプローブを駆使し、1.7 T 磁場中における磁場分布を高精度に測定して磁場空間分布の一様性を担保する。まずは信号の観測、次に測定の不確かさにおける系統的要因を、ビームの静止位置分布（すなわちミュオニウム生成位置分布）、マイクロ波強度の周波数依存性と空間分布、陽電子検出器の検出効率の時間・空間依存性・磁場依存性、などひとつずつ検証しながら、周波数掃引による共鳴曲線を描く標準的な分光法からはじめて、長寿命成分に着目する old muoniu 法、そして Rabi 振動分光法へと発展させつつ、分光精度向上に取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] Pulsed muon facility of J-PARC MUSE (2024)
  • 著者名/発表者名: Shimomura Koichiro、Mibe Tsutomu、et al.
  • 雑誌名: Interactions 巻: 245 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01863-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Precise measurement of the hyperfine splitting in muonium with a high intensity pulsed muon beam at J-PARC (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 号: 1 ページ: 012019-012019
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ミュオニウム原子のマイクロ波分光実験 ー陽電子に絡めてー (2023)
  • 著者名/発表者名: 鳥居寛之
  • 雑誌名: 陽電子科学 巻: 20 ページ: 202315-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] MuSEUM実験によるミュオニウム超微細構造のマイクロ波分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 神田聡太郎、西村昇一郎、下村浩一郎
  • 雑誌名: 高エネルギーニュース 巻: 41 ページ: 1-10
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] New beamlines and future prospects of the J-PARC muon facility (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: EPJ Web Conf. 282 巻: 282 ページ: 01016-01016
  • DOI: 10.1051/epjconf/202328201016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ミュオニウム原子の高精度ラビ振動分光 －エキゾチック原子で素粒子を探る新手法－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 鳥居寛之、西村昇一郎
  • 雑誌名: Isotope News 巻: 781 ページ: 15-18
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Magnetic Field Mapping System for the MuSEUM Experiment With High Precision Using CW-NMR Probes (2022)
  • 著者名/発表者名: Tada Hiroki、Yoshizu Fumihiro、Oyama Shun、Tanaka Toya、Sasaki Ken-ichi、Shimomura Koichiro
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 32 号: 6 ページ: 9002205-9002205
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3190264
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Precise Shimming Technique With Materials Having Low Saturation Magnetization (2022)
  • 著者名/発表者名: Sasaki K.、Sugita M.、Abe M.、Iinuma H.、Ogane C.、Mibe T.、Shimomura K.、Ogitsu T.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 32 号: 6 ページ: 9002107-9002107
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3190803
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Precision muonium spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Iwai
  • 学会等名: Muon4Future
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Precision muon physics at PSI and J-PARC (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Iwai
  • 学会等名: FRIB seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Precision Measurement of Muonium Hyperfine Structure at J-PARC (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Nishimura
  • 学会等名: FFK2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The measurements of muon g-2, EDM, and muonium at J-PARC (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Shimomura
  • 学会等名: 6th Joint Meeting of the APS Division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Precise measurements using muonium: from spectroscopy to interferometry (2023)
  • 著者名/発表者名: Sohtaro Kanda
  • 学会等名: Muons in Minneapolis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rabi-oscillation spectroscopy of the hyperfine structure of the muonium atom for high-precision determination of the muon mass (2023)
  • 著者名/発表者名: H. A. Torii
  • 学会等名: HYPERFINE2023
  • 国際学会
• [学会発表] 将来におけるミューオニウム超微細構造精密測定へ向けた箱型マイクロ波キャビティの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩井遼斗
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] J-PARCにおけるミューオニウム超微細構造の精密測定に向けたミューオンビームおよび実験装置の最適化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏原麻尋
  • 学会等名: 量子ビームサイエンスフェスタ2023
• [学会発表] Present and Future of Muon Experiments (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Kanda
  • 学会等名: Lake Louise Winter Institute
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高磁場環境でのミュオニウム超微細構造精密測定に向けた精密磁場調整システムの試験 (2023)
  • 著者名/発表者名: 多田紘規, 福村省三, 阿部充志, 平石雅俊, 岩井遼斗, 神田聡太郎, 西村昇一郎, 岡部博孝, 佐々木憲一, Patrick Strasser, 下村浩一郎, 手島菜月, 鳥居 寛之, 山崎高幸, MuSEUM Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Precise measurement of the hyperfine splitting in muonium with a high intensity pulsed muon beam at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Iwai
  • 学会等名: The 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MuSEUM: Precise measurement of the hyperfine splitting in muonium at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Iwai
  • 学会等名: The 14th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rabi-oscillation spectroscopy of muonium and muonic atoms (2022)
  • 著者名/発表者名: H. A. Torii
  • 学会等名: QSNP
  • 国際学会
• [学会発表] ラビ振動分光で探るミュオニウム原子とミュオニック原子 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鳥居寛之
  • 学会等名: 原子衝突学会 第47回年会
• [学会発表] ミュオン原子物理 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鳥居寛之
  • 学会等名: 中間子科学の将来討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Zero-Field and High-Field Precision Measurements of Muonium Hyperine Structure at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Nishimura (MuSEUM Collaboration)
  • 学会等名: PSI2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New precise spectroscopy of the hyperfine structure in muonium with a high-intensity pulsed muon beam (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kanda
  • 学会等名: PSAS2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] J-PARCにおける高磁場環境でのミュオニウム超微細構造精密測定の準備状況 (2022)
  • 著者名/発表者名: 多田紘規, 小山駿, 西村昇一郎, 神田聡太郎, 北口雅暁, 山崎高幸, 佐々木憲一, 阿部充志, 下村浩一郎, MuSEUM Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会