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: 交付 (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 / レーザー冷却 / 反物質 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 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

昨年度までに、レーザー冷却のために構築した高速チャープレーザーパルス光源を真空中のポジトロニウム集団に照射し、速度変化をとらえるための実験を実施した。また、その際に問題となる系統誤差を徹底的に低減するための研究を進めてきた。
本年度では、ポジトロニウム(Ps)におけるレーザー冷却効果を確固たるものと示すために、冷却による速度分布の変化をより緻密に捉えることを目指した。その際に課題となったのは信号量の小ささであった。従来ではある速度をもつPsの個数を測定する場合、対応する周波数をもつレーザーによってPsを励起したのち電離させ、生じた電離陽電子の対消滅時に発生するガンマ線を観測することで間接的に調べていた。しかしながらこの手法は、ガンマ線の発生位置と検出器の位置で決まる立体角によって検出効率が制限されており、その効率は約1%であった。そのため、速度分布を精緻に捉えるために速度分布測定用のレーザーの線幅を狭めた場合、信号量が減少し、加速器施設から与えられた実験期間では期待される信号量の変化が有意に観測できるほどの統計量を確保できない問題があった。
そこで新たにMCPを用いて電離陽電子を直接的に観測する手法を導入した。真空チャンバー内に設置したMCPの表面を適切な負の電位にすることで、電離陽電子を収集し、MCPで生じた電流を信号として検出した。実験から、従来の方法から桁違いに高い電離陽電子の検出効率を達成したと考えられる結果を得ることができた。これによって高分解能な速度分布の変化を測定することが現実的な時間内に十分可能となった。
さらに、Psの微細構造や冷却レーザーの時間構造・周波数構造を忠実に取り入れた冷却シミュレーションの開発も完了し、実験と対応付けられる数値計算が可能となった。以上によって、レーザー冷却実験におけるPsの速度分布の変化を緻密に捉える準備を整えることができた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度の成果によって、制限されている実験期間内に確固たる冷却の効果を観測するうえで最大の障壁であった信号量の確保において、桁違いの改善を達成できたため。可能な限り現実に即したシミュレーションの構築も含めて、最終年度におけるレーザー冷却の実証実験の準備が整ったと考えられ、順調であると判断した。

今後の研究の推進方策

本年度に行ったMCPによる電離陽電子の検出について、ゲインの変動や電離陽電子信号のカウンティングなど十分な解析を行ったのち、よりよいSNRでの測定・解析について考察する。必要であればMCPのゲインをパルス的に操作することで、光の信号と電離陽電子の信号の分離を行う。その後、MCPによる電離陽電子の検出手法を導入したうえで、残された2回のビームタイムにおいてレーザー冷却実験を実施し、速度分布の明瞭な変化を観測する。

研究成果

• [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] 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