大強度中間子ビームによる基礎科学の研究

1993 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 04044038
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山崎 敏光 東京大学, 原子核研究所, 教授 (80011500)
• 研究分担者: 伊藤 泰男 東京大学, 原子力研究総合センター, 助教授 (40011150) ; WIDMANN E. 学振, 外国人特別研究員 ; 森田 紀夫 分子科学研究所, 助教授 (30134654) ; 藤井 朱鳥 分子科学研究所, 助手 (50218963) ; 菅井 勲 東京大学, 原子核研究所, 助手 (80150291) ; 田中 雅彦 東京大学, 原子核研究所, 助手 (20013435) ; 田村 裕和 東京大学, 理学部, 助手 (10192642) ; 応田 治彦 東京大学, 原子核研究所, 助手 (60221818) ; 松岡 伸行 大阪大学, 核物理研究センター, 助教授 (10030032) ; 沖花 彰 京都教育大学, 教育学部, 助教授 (80115972) ; 家入 正治 KEK, 物理, 助手 (50192472) ; BREWER J.H. ブリティッシュコロンビア大学, 教授 ; KIENLE P. ミュンヘン工科大学, 教授 ; EADES J. CERN研究所, 上級研究員 ; 片山 武司 東京大学, 原子核研究所, 助教授 (30013402) ; 門野 良典 理化学研究所, 研究員 (10194870) ; 岩崎 雅彦 東京大学, 理学部, 助手 (60183745) ; 早野 龍五 東京大学, 理学部, 助教授 (30126148) ; 本河 光博 神戸大学, 理学部, 教授 (30028188) ; 池畑 誠一郎 東京大学, 理学部, 助教授 (30107685) ; 山崎 泰規 東京大学, 教養学部, 助教授 (30114903) ; 鳥飼 映子 山梨大学, 工学部, 助教授 (20188832) ; 西田 信彦 東京工業大学, 理学部, 助教授 (50126140) ; 坂本 真一 東京大学, 理学部, 助手 (50215646) ; 西山 樟生 東京大学, 理学部, 助教授 (50164611) ; 永嶺 謙忠 東京大学, 理学部, 教授 (50010947) ; EBERHARD Widmann JSPS.Fellow
• 研究期間 (年度): 1992 – 1993
• キーワード: 反陽子 / 準安定反陽子ヘリウム原子 / レーザー共鳴転移 / 深部束縛π中間子原子 / 酸化物高温超伝導体 / 3d遷移金属酸化物 / 酸素負ミュオン原子 / 反強磁性体

研究概要

ヘリウムガス中で異常に長寿命を保つ反陽子に大強度パルス状レーザーを照射し、共鳴的に準安定状態(n、ι)=(39、35)から短寿命状態(38、34)への転移を起こさせると、レーザーパルスの印加時間に始状態の占有率分だけが瞬時に消滅し、消滅粒子の時間スペクトル上にスパイクが立つと予想される。1993年10月中旬より行われたCERN-LEARにおける実験で、予想通りそのスパイクが観測された。これによって異常長寿命反陽子の正体がpe^-He^<++>(=pHe^+)原子であることが証明され、反陽子を含む原子の精密スペクトロスコピーへの道が拓かれた。
この観測のためCERNの低エネルギー反陽子蓄積リングLEARからの反陽子ビーム(運動量200MeV/c)を低温ヘリウムガス(10K、0.5気圧)中にとめる。反陽子消滅に伴う荷電・中性パイ中間子発生を99.7%の効率で検知するため7個のカウンターを配置する。即発性消滅を起こしていない長寿命反陽子(全体の3%)だけを選び、エキシマ励起色素レーザーを発振させる。レーザー光は反陽子ビームと反対方向より入射される。反陽子到着後の消滅パイ中間子の時間スペクトルを測定し、スパイクが現れるかどうかをレーザーの波長を変えながら探索した。共鳴の探索は10月15日に開始され、何も見えないまま数日が経過したが、10月20日早暁、ついに探し求めていたスパイクが波長597.26nmあたりに出現した。この結果、共鳴波長は597.260±0.001nmと決定された。この実験の第一報はPhys.Rev.Letters誌1994年2月21日号に発表された。
この実験方法を複数のレーザーパルスに拡張することにより、準安定準位のカスケード構造をつぎつぎと明らかにすることが可能となり、反陽子の電磁的性質を研究する糸口がひらかれる。準安定反陽子ヘリウム原子が他の原子分子と激しく反応することはすでにNature誌に発表したところであるが、レーザー分光法の確立により反陽子を含む原子分子の化学反応のメカニズムの解明にもミクロなメスが入れられることになる。
一方、ドイツGSI研究所において近い将来実施予定の深部π中間子束縛状態の探索実験の準備がミュンヘン工科大学グループと共同で行われた。
カナダ・バンクーバー市にあるTRIUMF研究所において酸化物高温超伝導体の負ミューエスアール法の研究を進めている。高温超伝導体に共通な構造である銅酸化物、特に酸素位置での電子状態の詳細な知見を得ることを目的とし、ランタン系にストロンチウムを添加してできる高温超伝導体の高品位単結晶を対象として、酸素負ミュオン原子のパラ磁性シフトの温度変化、添加物濃度依存性、結晶軸依存性等の精密な測定を行ってきた。また同時に、電子スピンの動的な振る舞いを知るため負ミュオンスピン緩和現象の測定を行っている。特に二つの異なる酸素位置での信号を分離することにより酸素の果たす役割について新しい知見が得られた。また負ミュオンスピン回転の基準となる純水中での精密な化学シフトの測定により、酸素負ミュオン原子の化学的状態が明らかにされた。これらの研究成果は国際学会で発表されている。
また高温超伝導体の研究の進展と相まって、古典的な反強磁性体物質である3d遷移金属酸化物についての酸素負ミュオン原子の理解が必要となった。一連の3d遷移金属酸化物についての負ミュエスアールの実験が行われ、特に酸化マンガンについての精密な温度依存性から、局所的な磁気秩序が転移温度以上の高温から発達していることを示唆する発見がなされた。これらの成果についても六月に行われたミューエスアールの国際学会で発表されている。

研究成果

• [文献書誌] T.Yamazaki et al.: "Formation of long-lived gas phase antiprotonic helium atomcules" Nature. 361. 238-240 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Morita et al.: "Laser Spectroscopy of metastable antiprotonic helium atomcules" Nucl.Instr.Methods A. 1330. 439-446 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] E.Widmann et al.: "Antiproton Trapping in Various Helium Media" Nucl Phys.A. 558. 679-688 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] J.Eades: "A naturally occurring trap for antiprotons" Hyperfine Interaction. 81. 227-237 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Morita et al.: "First observation of laser induced resonant annihilation in metastable antiprotonic helium atoms" Phys.Rev.Lett.72. 1180-1183 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Yamazaki: "Production of deeply-bound pionic atoms" Physica Scripta. 48. 169-172 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.N.Nakamura et al.: "Delayed annihilation of antiprotons in helium gas" Phys.Rev.(1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Ito et al.: "Possible formation of antihydrogen atoms from metastable antiprotonic helium atoms" Hyperfine Interactions. 76. 163-173 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Nishiyama et al.: "Anisotropic paramagnetic shift of μ^-0 in the high T_c related materials LaSrCuO and LaCuO" Hyperfine Interactions. 79. 873-873 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Nishida: "μ^-SR studies of high‐T_coxide‐superconductor systems" Hyperfine Interactions. 78. 823 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] E.Torikai: "Temperature dependence of (μ^-0) Paramagnetic shift in high T_c superconductor La_<2-x>SrCuO_4" Hyperfine Interactions. 79. 879 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Yamazaki: "Frontiers of Nuclear Physics" Exotic aspects of hadronic atoms‐anomalous quasi‐stabilities, (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Yamazaki et al.: "Formation of long-lived gas phase antiprotonic helium atomcules" Nature. 361. 238-240 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Morita et al.: "Laser Spectroscopy of metastable antiprotonic helium atomcules" Nucl. Instr. Methods A. 1330. 439-446 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] E.Widmann et al.: "Antiproton Trapping in Various Helium Media" Nucl Phys. A. 558. 679-688 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] J.Eades: "A naturally occurring trap for antiprotons" Hyperfine Interaction. 81. 227-237 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Morita et al.: "First observation of laser induced resonant annihilation in metastable antiprotonic helium atoms" Phys.Rev.Lett.72. 1180-1183 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Yamazaki: "Production of deeply-bound pionic atoms" Physica Scripta. 48. 169-172 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.N.Nakamura et al.: "Delayed annihilation of antiprotons in helium gas" Phys.Rev.(1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Ito et al.: "Possible formation of antihydrogen atoms from metastable antiprotonic helium atoms" Hyperfine Interactions. 76. 163-173 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Nishiyama et al.: "Anisotropic paramagnetic shift of mu^-OMedia in the high T_c related materials LaSrCuO and LaCuO" Hyperfine Interactions. 79. 873-873 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Nishida: "mu^-SR studies of high-T_c oxide-superconductor systems" Hyperfine Interaction. 78. 823 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] E.Torikai: "Temperature dependence of (mu^-O) Paramagnetic shift in high T_c superconductor La_<2-x>SrCuO_4" Hyperfine Interaction. 79. 879-1183 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Yamazaki: Frontiers of Nuclear Physics. Exotic aspects of hadronic atoms-anomalous quasi-stabilities, (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より