レーザー精密分光によるミュー粒子質量の測定

• 研究課題/領域番号: 21K13944
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 今井 康貴 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (30888342)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 素粒子実験 / ミューオニウム / 高出力光源 / Yb添加ファイバ増幅器 / 高出力高原 / レーザー精密分光 / 周波数測定 / 高出力光源開発

研究開始時の研究の概要

本研究では電弱統一理論の検証および新物理の探索へ向け、素粒子のみからなる水素様純レプトン原子ミューオニウムの1S-2S遷移の精密分光を行う。Yb添加ファイバー増幅器を用いた1S-2S遷移2光子励起用高出力光源を開発し、先行研究より3桁小さい不確かさ10 kHzでの1S-2S遷移周波数の測定を目標とする。これにより、基礎物理定数であるミュー粒子質量の決定精度を向上させ、電弱スケールの新物理探査を目指す。

研究成果の概要

ミューオニウム1S-2S遷移分光に用いる深紫外レーザーの基本波光源として，Yb添加ファイバ光増幅器の開発を行った．光増幅器はシミュレーションによる設計に近い増幅度を達成し，数ワットの高出力化に成功した．
並行してJ-PARCの高強度ミュービームラインにて，パルスレーザーを用いたミューオニウムの1S-2S遷移分光実験を行い，先行研究より約60倍強い信号レートで1S-2S遷移スペクトルの観測に成功した．また，先行研究では信号レート不足により観測が困難だった1S-2S遷移の別超微細構造間を世界で初めて観測した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

ミューオニウム1S-2S遷移のレーザー分光によるミューオニウムに関わる基礎物理定数の精密測定は，素粒子標準理論の検証，また標準理論を超える新たな物理の探査にもつながる．
また，Yb添加ファイバ光増幅器は高出力かつ高品質な空間モードが実現可能なため，その開発のノウハウを得ることは今後のレーザー実験の光源開発につながる．

研究成果

• [学会発表] ミューオニウム1S-2Sパルスレーザー分光 III (2023)
  • 著者名/発表者名: 今井康貴, 足立泰平, 原秀明, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 上岡修星, 河村成肇, 幸田章宏, 増田孝彦, 三部勉, 宮本祐樹, 嵯峨航, 下村浩一郎, Patrick Strasser, 鈴木一仁, 植竹智, 山基真佑, 山崎高幸, 吉田光宏, 吉村浩司, Ce Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] ミューオニウム1S-2Sレーザー分光に向けたニ層構造ターゲットの研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 嵯峨航，今井康貴，池戸豊，足立泰平，植竹智，石田勝彦，岩井遼斗，Saeid Kamal，上岡修星，河村成肇，幸田章宏，Yajun Mao，増田孝彦，三部勉，三宅康博，宮本祐樹，大石裕，大谷将士，山基真佑，Patrick Strasser，下村浩一郎，鈴木一仁，杉山蒼，原秀明，平木貴宏，山崎高幸，吉村浩司，吉田光宏，四塚麻衣，Ce Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] J-PARC muon g-2/EDM実験のためのイオン化レーザーの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上岡修星，吉田光宏，三部勉，Ce Zhang，原秀明，平木貴宏，今井康貴，増田孝彦，宮本祐樹，植竹智，山基真佑，吉村浩司，鈴木一仁，石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] ミューオニウム1S-2Sパルスレーザー分光II (2022)
  • 著者名/発表者名: 山基真佑，原秀明，今井康貴，植竹智，足立泰平，平木貴宏，池戸豊，石田勝彦，Saeid Kamal，上岡修星，河村成肇，幸田章宏，Yajun Mao，増田孝彦，三部勉，三宅康博，宮本祐樹，大石裕，大谷将士，嵯峨航，Patrick Strasser，下村浩一郎，鈴木一仁，杉山蒼，山崎高幸，吉村浩司，吉田光宏，四塚麻衣，Ce Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] ミューオニウム1S-2S遷移パルスレーザー分光実験およびCWレーザー精密分光実験に向けた研究開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今井康貴, 足立泰平, 原秀明, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, 下村浩一郎, Patrick Strasser, 鈴木一仁, 植竹智, 山基真佑, 山崎高幸, 吉田光宏, 吉村浩司, Ce Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ミューオニウム1S-2Sパルスレーザー分光 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山基真佑, 原秀明, 今井康貴, 植竹智, 足立泰平, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, Patrick Strasser, 下村浩一郎, 鈴木一仁, 山崎高幸, 吉村浩司, 吉田光宏, Ce Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Yb原子のレーザー冷却・量子操作のための1112nmファイバーアンプ開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原秀明, 今井康貴, 植竹智
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ミュオニウム1s-2s遷移レーザー分光実験に向けた新実験エリア「Ｓ２」のコミッショニング (2022)
  • 著者名/発表者名: 足立泰平, 原秀明, 平木貴宏, 池戸豊, 今井康貴, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, 下村浩一郎, Patrick Strasser, 鈴木一仁, 植竹智, 山基真佑, 山崎高幸, 吉田光宏, 吉村浩司, Ce Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] J-PARC muon g-2/EDM実験のためのイオン化レーザーの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 上岡修星, 吉田光宏, 三部勉, Ce Zhang, 原秀明, 平木貴宏, 今井康貴, 増田孝彦, 宮本祐樹, 植竹智, 山基真佑, 吉村浩司, 鈴木一仁, 石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ミューオニウム1S-2Sレーザー分光のためのパルスTi:Sレーザー開発Ⅱ (2021)
  • 著者名/発表者名: 山基真佑, 原秀明, 今井康貴, 植竹智, 足立泰平, 平木貴宏, 池戸豊, 石田勝彦, Saeid Kamal, 河村成肇, 幸田章宏, Yajun Mao, 増田孝彦, 三部勉, 三宅康博, 宮本祐樹, 大石裕, 大谷将士, Patrick Strasser, 下村浩一郎, 鈴木一仁, 山崎高幸, 吉村浩司, 吉田光宏, Ce Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] J-PARC muon g-2/EDM実験のためのイオン化レーザーの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上岡修星, 吉田光宏, 三部勉, Ce Zhang, 原秀明, 平木貴宏, 今井康貴, 増田孝彦, 宮本祐樹, 植竹智, 山基真佑, 吉村浩司, 鈴木一仁, 石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会