ポジトロニウムのレーザー冷却の実証と量子縮退状態への到達

• 研究課題/領域番号: 22KJ0637
• 補助金の研究課題番号: 21J21494 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 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: 東京大学
• 研究代表者: 田島 陽平 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: ポジトロニウム / 量子電磁力学 / 新物理探索 / ボース・アインシュタイン凝縮 / レーザー冷却 / ドップラー分光 / 陽電子 / マイクロチャンネルプレート / 反物質 / レーザー分光

研究開始時の研究の概要

ポジトロニウムは電子とその反物質である陽電子から成る二体の束縛系であり、有限寿命の水素様原子である。レプトンのみで構成された単純な構造であるため、量子電磁力学の精密な検証の舞台として重要な原子である。また、質量が電子二個分と非常に軽いことから反物質を含む系における最初のボース・アインシュタイン凝縮達成の最有力候補とされている。
本研究では、ポジトロニウムにおける精密レーザー分光と量子縮退状態の実現を目指す過程において開拓が不可欠と考えられる、ポジトロニウムのレーザー冷却の有効性を実証することを目標とする。

研究実績の概要

本研究課題の最終年度では、電子と陽電子とが束縛してできた水素様エキゾチック原子であるポジトロニウム（Ps）の分光精度を桁違いに向上させる手法を開発した。この手法を用いることで、Psがレーザー冷却により約1 Kという極低温度に至ったことを実証することができた。研究期間全体を通じて、極低温粒子反粒子系の科学の開拓に成功した。これにより、究極の精度を実現する極低温Psの分光測定による基礎物理学方程式の正当性の検証や基礎物理定数の決定、新物理の探索への道が拓けた。また、反粒子を含む量子縮退原子気体という新しい物質相の実現へ大きな一歩となった。
最終年度に取り組み、本研究において鍵となったのは、レーザー励起されたPsの高感度検出法の開発である。レーザー冷却されたPsの速度分布を測定し、温度を評価するために、ドップラー分光法を用いた。しかし、レーザーの周波数を掃引しながら量を評価する励起状態Psの検出感度が悪く、冷却を実証することができなかった。本研究では、レーザー励起されたPsを選択的に光電離し、電子と乖離した電離陽電子をマイクロチャンネルプレート（MCP）により検出する方法を開発した。電離陽電子の軌道を電磁場により制御しMCPへ入射でき、また、背景信号が原理的には存在しないため、無背景信号かつ100%近い検出効率が期待できる。本研究では原理検証から開始し、ドップラー分光法において使用する紫外レーザーが散乱してMCPへ入射し背景信号となることが分かった。MCPの増幅動作の有無を瞬時に切り替える手法を開発し、Psと紫外レーザーの相互作用が終了し電離陽電子が発生した後よりMCPを動作させることで、問題を克服した。これにより、電離陽電子が周囲の電子と対消滅し発生したガンマ線を検出する従来の方法では不可能であった、レーザー冷却されたPsの速度分布を測定することができ、冷却の実証に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Development of a laser for chirp cooling of positronium to near the recoil limit using a chirped pulse-train generator (2024)
  • 著者名/発表者名: Shu Kenji、Miyamoto Naoki、Motohashi Yuto、Uozumi Ryosuke、Tajima Yohei、Yoshioka Kosuke
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 109 号: 4 ページ: 043520-043531
  • DOI: 10.1103/physreva.109.043520
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Analysis and Experimental Demonstration of a Chirped Pulse-Train Generator and its Potential for Efficient Cooling of Positronium (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada K.、Tajima Y.、Murayoshi T.、Fan X.、Ishida A.、Namba T.、Asai S.、Kuwata-Gonokami M.、Chae E.、Shu K.、Yoshioka K.
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 16 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.16.014009
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ポジトロニウムの高分解能レーザー分光を実現する電離陽電子の高感度検出 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田島陽平, 周健治, 吉岡孝高
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会（2023年）
• [学会発表] Development of a deep-ultraviolet chirped pulse laser for doppler cooling of positronium (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Tajima, K. Yamada, T. Kobayashi, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, E. Chae, K. Shu, and K. Yoshioka
  • 学会等名: The 27th International Conference on Atomic Physics
  • 国際学会
• [学会発表] ポジトロニウムのレーザー冷却の実証実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田島陽平, 山田恭平, 魚住亮介, 石田明, 難波俊雄, Randall W. Gladen, 浅井祥仁, 五神真, 大島永康, オロークブライアン, 満汐孝治, 伊藤賢志, 鈴木良一, 兵頭俊夫, 望月出海, 和田健, 蔡恩美, 周健治, 吉岡孝高
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] Developing a high-resolution Doppler broadening spectroscopy for cold positronium (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Uozumi, Y. Tajima, T. Kobayashi, K. Shu, and K. Yoshioka
  • 学会等名: The 27th International Conference on Atomic Physics
  • 国際学会
• [学会発表] ポジトロニウムのレーザー冷却実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 魚住亮介, 田島陽平, 石田明, 難波俊雄, 浅井祥仁, 五神真, 大島永康, オロークブライアン, 満汐孝治, 伊藤賢志, 鈴木良一, 兵頭俊夫, 望月出海, 和田健, 蔡恩美, 周健治, 吉岡孝高, Randall W. Gladen
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] ポジトロニウム冷却に最適化したサブマイクロ秒紫外パルスレーザー光源の帯域増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周健治, 白石蒼馬, 宮本尚樹, 本橋悠人, 田島陽平, 吉岡孝高
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] ポジトロニウムのレーザー冷却に向けた深紫外チャープパルス光源の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田島 陽平, 山田 恭平, 小林 拓豊, 石田 明, 難波 俊雄, 浅井 祥仁, 五神 真, 蔡 恩美, 周 健治, 吉岡 孝高
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ポジトロニウム冷却のためのサブマイクロ秒紫外パルスレーザー光源の帯域増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周 健治, 田島 陽平, 吉岡 孝高
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ポジトロニウムのレーザー冷却実証に向けたドップラー分光法の開拓 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林 拓豊, 田島 陽平, 魚住 亮介, 蔡 恩美, 石田 明, 難波 俊雄, 浅井 祥仁, 五神 真, 大島 永康, オローク ブライアン, 満汐 孝治, 伊藤 賢志, 鈴木 良一, 兵頭 俊夫, 望月 出海, 和田 健, 周 健治, 吉岡 孝高
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ポジトロニウムの高分解能速度分布測定法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 魚住 亮介, 田島 陽平, 小林 拓豊, 石田 明, 難波 俊雄, 浅井 祥仁, 周 健治, 吉岡 孝高
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Development of a chirped pulse laser for cooling positronium (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Tajima, K. Yamada, T. Kobayashi, R. Uozumi, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, K. Shu, E. Chae, K. Yoshioka, N. Oshima, B.E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada and T. Kai
  • 学会等名: 12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry
  • 国際学会
• [備考] 東京大学吉岡研究室
  • URL: http://www.fs.t.u-tokyo.ac.jp/