ミュオニウム超微細構造精密測定によるミュオン質量の精度向上と新物理探索

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01133
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 下村 浩一郎 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, 教授 (60242103)
• 研究分担者: 鳥養 映子 山梨大学, その他部局等, 客員教授 (20188832) ; 福山 武志 大阪大学, 核物理研究センター, 協同研究員 (40167622) ; 三部 勉 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (80536938)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: ミュオニウム

研究実績の概要

本研究では、最も単純な２体束縛系であるミュオニウムの様々な磁場下でのゼーマン副準位を高精度で測定することで、ミュオニウムの超微細構造定数および、次世代のミュオンg-2測定に必須のミュオンの磁気モーメント（あるいはミュオンの質量）を約一桁高い精度で決定する。この結果を利用して標準理論（主に束縛系ＱＥＤ）の精密検証をおこない、合わせて、様々な実験・理論モデルとの突合せをおこなうことで、例えばミュオニック水素のラムシフトの異常を説明するために提唱された新粒子の探索、あるいはローレンツ対称性の破れの探索などを行う。
本年度は系統的不確かさの中で支配的となりうるKrガスの衝突に伴う不確かさをさらに抑制するために、Krガスの代わりにKr-He混合ガスを用いた測定を行った。従来のKrガスをミュオンビーム標的に用いた測定では、ミュオニウムの基底状態における超微細構造間エネルギーはガス密度に対して負の相関を持っており、これに伴う真空状態への外挿時にガス密度のゆらぎやガス圧力計の精度によって系統的不確かさを生んでいた。そこで、KrにHeを混ぜることによってガス密度依存性を小さくし、この系統的不確かさを小さくすることを考えた。期待通りに混合比によってHFS周波数のガス密度依存性は変化しており、Kr30%程度を含む混合比でHFS周波数の圧力依存性が十分小さくなることがわかった。今後の測定では、この混合比のKr-He混合ガスを用いた測定によって、HFS周波数のガス密度依存性に伴う系統的不確かさが抑制できると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Performance evaluation of a silicon strip detector for positrons/electrons from a pulsed a muon beam (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Aoyagi, Y. Honda, H. Iked, M. Ikeno, K. Kawagoe, T. Kohriki, T. Kume, T. Mibe, K. Namba, S. Nishimura, N. Saito, O. Sasaki, N. Sato, Y. Sato, H. Sendai, K. Shimomura, S. Shirabe, M. Shoji, T. Suda, T. Suehara, T. Takatomi, M. Tanaka, J. Tojo, K. Tsukada, T. Uchida, T. Ushizawa, H. Wauke, T. Yamanaka, T. Yoshioka
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 15 ページ: P04027
  • DOI: 10.1088/1748-0221/15/04/P04027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] g-2 of charged leptons, \alpha(M^2_Z), and the hyperfine splitting of muonium (2020)
  • 著者名/発表者名: Alexander Keshavarzi, Daisuke Nomura, Thomas Teubner
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 ページ: 014029-1-15
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.101.014029
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Precise spectroscopy of muonium hyperfine structure using Kr-He mixture gas (2020)
  • 著者名/発表者名: 瀬尾俊
  • 学会等名: The 12th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2020)
  • 国際学会
• [学会発表] クリプトンヘリウム混合気体中におけるミュオニウム超微細構造の精密分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 瀬尾俊
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] 高磁場におけるミュオニウム超微細構造測定のための時間微分法開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 多田紘規
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] 高磁場下におけるミュオニウム超微細構造精密測定に向けた前置検出器開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 福村省三
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] Discussions on a shimming strategy to obtain very homogeneous magnetic fields using shimming calculation based on TSVD (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsushi Abe, Ken-ichi Sasaki, Hiroshi Yamaguchi, Toru Ogitsu, Koichiro Shimomura, Tsutomu Mibe, Naohito Saito, Chiori Ohgane, Moe Sugita, Kyosuke Yanai, Hiromi Iinuma, Masayoshi Saito, Toya Tanaka
  • 学会等名: The 10th ACASC/ 2nd Asian-ICMC/ CSSJ Joint Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Present status of muonium hyperfine splitting in J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: 下村浩一郎
  • 学会等名: International Conference on Precision Physics and Fundamental Physical Constants (FFK2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MuSEUM (2019)
  • 著者名/発表者名: 下村浩一郎
  • 学会等名: Third Plenary Workshop of the Muon g-2 Theory Initiative (INT Workshop INT-19-74W)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ミューオン崩壊における時間反転対称性の破れを探索する新たな実験の提案 (2019)
  • 著者名/発表者名: 下村浩一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Muon pair production from ILC (2019)
  • 著者名/発表者名: 下村浩一郎
  • 学会等名: International Workshop on Future Linear Colliders (LCWS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Status of Standard Model Prediction for Muon g-2 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野村大輔
  • 学会等名: The 21st International Workshop on Neutrinos from Accelerators (NuFACT 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measuring both T-violation and Majoranality of neutrinos in muon decays (2019)
  • 著者名/発表者名: 野村大輔
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] J-PARCミュオニウム超微細構造測定の実験状況 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村昇一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Muonium Hyperfine Structure Measurement in a Zero/High Magnetic Field at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村昇一郎
  • 学会等名: J-PARC symposium 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Muon Spin Resonance Experiment in the High Magnetic Field at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村昇一郎
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019 (MRM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Spectroscopy of Muonium Hyperfine Structure at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野恭裕
  • 学会等名: The 21st Workshop on Neutrinos from Accelerators (NuFact2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] クリプトンヘリウム混合気体中におけるミュオニウム超微細構造の精密分光 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬尾俊
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] Precise measurement of muonium hyperfine structure using Kr-He mixture gas (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬尾俊
  • 学会等名: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Precise spectroscopy of muonium hyperfine structure using Kr-He mixture gas (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬尾俊
  • 学会等名: Physics of fundamental Symmetries and Interactions - PSI2019
  • 国際学会
• [学会発表] High precision measurement of muonium hyperfine structure (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中陶冶
  • 学会等名: The 3rd International Conference on Charged Lepton Flavor Violation (CLFV2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Spectroscopy of muonium hyperfine structure (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中陶冶
  • 学会等名: Workshop “New Developments of Muon Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高磁場におけるミュオニウム超微細構造測定に向けた磁場測定器開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中陶冶
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] Development of magnetic field measurement system for muonium hyperfine structure spectroscopy with high magnetic field (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中陶冶
  • 学会等名: J-PARC symposium 2019
  • 国際学会
• [学会発表] J-PARCでの高磁場ミュオニウム超微細構造の精密分光に向けた前置検出器の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福村省三
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季学会
• [学会発表] Development of forward detector for measurement of muonium hyperfine structure in high magnetic field at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: 福村省三
  • 学会等名: J-PARC symposium 2019
  • 国際学会
• [学会発表] MRI磁石を用いた超高均一度シミングの可能性検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 阿部充志, 佐々木憲一,山口博史,荻津透,下村浩一郎,三部勉,齊藤直人,田中陶冶,大金千織, 齋藤真慶, 杉田萌,楊井京輔, 飯沼裕美
  • 学会等名: 第98回低温工学会・超伝導学会研究発表会
• [学会・シンポジウム開催] New Developments of Muon Precision Physics (2019)