負ミュオンビームによる原子分子物理の精密検証と宇宙物理観測への展開

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。
• 研究課題/領域番号: 18H05458
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 東 俊行 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (70212529)
• 研究分担者: 一戸 悠人 立教大学, 理学部, 助教 (30792519) ; 山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073) ; 渡辺 伸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (60446599) ; 馬場 彩 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70392082) ; 井上 芳幸 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 上級研究員 (70733989) ; 池戸 豊 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, 先任技師 (90415050)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: 量子ビーム / 負ミュオン / 超伝導X線検出器 / 量子電磁力学

研究実績の概要

計画研究の当初目標は、真空中に孤立したミュオン原子から放出されるミュオン特性X線を超伝導カロリメータを導入して精密分光し、ミュオン原子のエネルギー準位に現れる量子電磁力学(QED)効果を実験的に初めて明らかにすることであった。

2020年度は、2019年度にJ-PARCにおける実験で得られたミュオンNe原子からのミュオン特性X線と、ミュオンFe原子から放出される電子遷移に伴う電子特性X線のデータの詳細な解析を実施した。エネルギー校正用のX線発生装置を導入し、様々な金属から得られる特性X線をミュオン特性X線測定時に同時観測することによって、実験データ取得中の検出器出力ドリフトをオンライン測定した。解析では、これによりミュオンビームがパルス運転されていることを反映することに成功した。最終解析結果として、前者では、測定対象とするμNeからの5g→4f 遷移に伴うミュオン特性X線の絶対エネルギーを、検出器分解能(半値幅) 5.4-5.7 eV以下の高性能下で、6298.27 eV (統計誤差0.04 eV、系統誤差 0.13 eV以下)という精度で決定した。後者では、負ミュオンによる原子核電荷の遮蔽効果に加えて、電子軌道のL殻に複数の空孔が存在することに起因することを突き止めた。

一方で、今後の実験に導入を予定している高エネルギーX線に対応する多素子カロリメータの開発は、2020年春からのコロナ禍の影響を受けた。研究所の活動も大きく制限され、我々のグループから米国NISTに派遣した研究者が帰国を余儀なくされた。そのような状況下でも、一定の進展が見られカロリメータの検討や設計が進んだ。

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

目標通りに、J-PARCに超伝導カロリメータを実際に導入して精密分光実験を実施し、最新の理論計算に対する強電場下のQED検証結果を得ることができた意義は大きい。加えて、固体鉄薄膜標的中で生成されたミュオンFe原子からの放出される電子特性X線のスペクトルが得られた。これは、時々刻々と変化する負ミュオンや電子配置を反映しているためで、複数の理論研究者の強力を得て、精密なエネルギー準位計算やこれを取り込んだダイナミクス計算によって、その様子を正確に理解することができた。その一方で、コロナ禍による高エネルギーX線に対応する多素子カロリメータの開発の遅れは避けがたいが、工夫することで着実な進展が見られた。

よって計画通りの成果や予想外の展開が得られたことと、コロナによる遅れの両方を考慮に入れて、ほぼ順調に進展していると評価した。

今後の研究の推進方策

今後コロナ禍も一応の落ち着きを見せ、高エネルギーX線用TES型超伝導カロリメータ開発が順調に進むことを期待する。その間に既存のTESカロリメータを利用した以下のような実験を計画している。

(1) ミュオン誘起電子特性X線の観測は、今までミュオン原子を対象としていたがこれをミュオン分子へと広げ、分子系特有の振動状態などの観測を目指す。
(2) ミュオン誘起電子特性X線の観測は、固体標的としてFeだけでなく他の金属や酸化物に適用し、物質の特性を反映したスペクトルが得られるかを検証する。さらに、ガス中の孤立標的としてArを対象とし、束縛電子が僅かに残った少数量子系としてのミュオンAr原子を用意し、ミュオンや電子の配置やダイナミクスに関する情報を得る。

研究成果

• [雑誌論文] Broadband high-energy resolution hard x-ray spectroscopy using transition edge sensors at SPring-8 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada S., Ichinohe Y., Tatsuno H., Hayakawa R., Suda H., Uruga T., Sekizawa O., Nitta K., Takahashi Y., Itai T., Suga H., Nagasawa M., Tanaka M., Kurisu M., Hashimoto T., Okada S., Okumura T., Azuma T., Isobe T., Kohjiro S., Noda H., 他21名
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 013103～013103
  • DOI: 10.1063/5.0020642
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Physics Experiments using Quantum Beams Pioneered by a Superconducting Transition-Edge Sensor Microcalorimeter Array (2021)
  • 著者名/発表者名: Okada Shinji
  • 雑誌名: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan) 巻: 56 ページ: 65～72
  • DOI: 10.2221/jcsj.56.65
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray Spectroscopy of Muonic Atoms Isolated in Vacuum with Transition Edge Sensors (2020)
  • 著者名/発表者名: Okada S., Azuma T., Hashimoto T., Hayakawa R., Ichinohe Y., Indelicato P., Isobe T., Kanda S., Katsuragawa M., Kawamura N., Kino Y., Miyake Y., Ninomiya K., Noda H., Okumura T., Shimomura K., Strasser P., Takahashi T., Takeda S., Takeshita S., Tatsuno H., Ueno Y., Watanabe S., Yamada S., 他13名
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 200 ページ: 445～451
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02476-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coevolution of the Technology on Transition-Edge-Sensor Spectrometer and Its Application to Fundamental Science (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamada S., Tatsuno H., Okada S., Hashimoto T.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 200 ページ: 418～427
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02441-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Waveform Analysis of a 240-Pixel TES Array for X-Rays and Charged Particles Using a Function of Triggering Neighboring Pixels (2020)
  • 著者名/発表者名: Hayakawa R., the HEATES collaboration, Yamada S., Tatsuno H., Fowler J. W., Swetz D. S., Bennett D. A., Durkin M., O’Neil G. C., Ullom J. N., Doriese W. B., Reintsema C. D., Gard J. D., Okada S., Hashimoto T., Ichinohe Y., Noda H., Hayashi T.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 200 ページ: 269～276
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02449-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mitigating the Effects of Charged Particle Strikes on TES Arrays for Exotic Atom X-ray Experiments (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsuno H., Bennett D. A., Doriese W. B., Durkin M. S., Fowler J. W., Gard J. D., Hashimoto T., Hayakawa R., Hayashi T., Hilton G. C., Ichinohe Y., Noda H., O’Neil G. C., Okada S., Reintsema C. D., Schmidt D. R., Swetz D. S., Ullom J. N., Yamada S., the J-PARC E62 Collaboration
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 200 ページ: 247～254
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02484-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Integration of a TES-based X-ray spectrometer in a kaonic atom experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto T., J-PARC E62 collaboration, Bennett D. A., Doriese W. B., Durkin M. S., Fowler J. W., Gard J. D., Hayakawa R., Hayashi T., Hilton G. C., Ichinohe Y., Ishimoto S., Morgan K. M., Noda H., O’Neil G. C., Okada S., Reintsema C. D., Schmidt D. R., Suzuki S., Swetz D. S., Tatsuno H., Ullom J. N., Yamada S.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 ページ: 1018～1026
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02434-1
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 超伝導転移端センサーが拓く量子ビーム実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡田信二 他
  • 学会等名: 東北大学 素粒子・核物理学講座セミナー・新学術領域研究「量子ビーム応用」セミナー
• [学会発表] 超伝導検出器を用いたミュオン原子分子精密X線分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡田信二 他
  • 学会等名: 第 11 回 Muon 科学と加速器研究
• [学会発表] 超伝導 X 線検出器が拓くミュオンビーム実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡田信二
  • 学会等名: 2020 年度 量子ビームサイエンスフェスタ
  • 招待講演
• [学会発表] X-ray spectroscopy of muonic atoms with superconducting detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference 2020 (ASC 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 超伝導検出器による金属内ミュオンからの電子特性 X 線の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬 他
  • 学会等名: 日本物理学会 2020 年秋季大会
• [学会発表] 超伝導検出器による金属内ミュオンから放出される電子特性 X 線の高分解能分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 原子衝突学会
  • 招待講演
• [学会発表] 超伝導検出器を用いたミュオニック X 線の高分解能分光による量子電磁力学の検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬 他
  • 学会等名: 原子衝突学会
• [学会発表] 超伝導転移端マイクロカロリメータを利用したミュオン原子の高分解能X線分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬 他
  • 学会等名: 電気学会研究会「周波数精密計測とその応用」
• [学会発表] 超伝導転移端 X 線検出器の技術成熟化と地球外試料分析に向けた SPring-8 実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 須田博貴 他
  • 学会等名: 日本天文学会 2020 年秋季年会
• [学会発表] 超伝導検出器を用いたミュオンネオン原子の精密 X 線分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡田信二 他
  • 学会等名: 日本物理学会 2020 年秋季大会
• [備考] 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/ planned-research/a01/index.html
• [備考] 理研開拓研究本部 東原子分子物理研究室
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/chief/ atom_mol_opt_phys /index.html & https://amo.riken.jp