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

2022 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, 准教授 (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 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (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。実績として当初の目標通りに強電場下のQED検証結果を得ることができた。
2022年度は、導入を予定していた高エネルギーX線に対応する多素子カロリメータに関して、専門的知識を有する研究協力者の転出に加え、新型コロナウイルスの 感染拡大による影響に伴って研究協力機関における外部からの研究者の受入制限により、新読み出し系に対応した硬X線用検出器開発に遅延が生じた。しかし、2023年度には順調に開発やテストが進展した。結果、2024年初頭にJ-PARCへの移設が完了し、実際に検出器を利用した負ミュオン実験を実施した。その結果、期待通りの動作を確認した。Arミュオン原子やXeミュオン原子からの40keVから120keVに至るミュオンX線観測に成功した。
一方で、2023年2月には、ミュオン原子だけでなく、ミュオンX線に現れる振動構造によるミュオン分子の直接観測にも初めて成功した。重水素D2固体標的中に、ddμというエキゾチック２原子分子イオンを生成した。ddμは、C02 計画班が取り組むミュオン触媒核融合の鍵となるエキゾチック分子である。振動スペクトルでは、ミュオンの質量を反映して物理化学理論におけるボルン・オッペンハイマー近似の破れが明瞭に観測され、少数量子多体系理論による精密計算の重要性が明らかになった。これは世界で初めてミュオン分子の存在を確認したもので、C01班との共同研究の成果である。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] カスラー・ブロッセル研究所(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: カスラー・ブロッセル研究所
• [雑誌論文] Electronic K x rays emitted from muonic atoms: an application of relativistic density functional theory (2023)
  • 著者名/発表者名: X. M. Tong, D. Kato, T. Okumura, S. Okada, and T. Azuma
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 107 ページ: 012804~012804
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.107.012804
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Proof-of-Principle Experiment for Testing Strong-Field Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms: High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, T. Azuma, 他41名
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 ページ: 173001~173001
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.173001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Absolute Energy Measurements with Superconducting Transition-Edge Sensors for Muonic X-ray Spectroscopy at 44 keV (2022)
  • 著者名/発表者名: Yan Daikang, Weber Joel C. 他24名
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 209 ページ: 271～277
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02860-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Application of Deep Learning to the Evaluation of Goodness in the Waveform Processing of Transition-Edge Sensor Calorimeters (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Ichinohe, S. Yamada, R. Hayakawa, S. Okada, T. Hashimoto, H. Tatsuno, H. Suda, T. Okumura
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 209 ページ: 1008～1016
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02719-7
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] New developments in muon-catalyzed fusion research by precise X-ray spectroscopy of muonic molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Okada
  • 学会等名: Interdisciplinary Science Conference in Okinawa; Physics and Mathematics meet Medical Science (ISCO2023)
• [学会発表] High-resolution spectroscopy of electronic K x rays from muonic atoms (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura
  • 学会等名: 20th International Conference on the Physics of Highly charged Ions (HCI2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Muonic atom X-ray spectroscopy for QED test in strong Coulomb field (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Okada
  • 学会等名: 20th International Conference on the Physics of Highly charged Ions (HCI2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [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