| 研究課題/領域番号 |
18H01241
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
山口 敦史 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (70724805)
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| 研究分担者 |
菊永 英寿 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (00435645)
前畑 京介 帝京大学, 公私立大学の部局等, 教授 (30190317)
滝本 美咲 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核燃料・バックエンド研究開発部門 核燃料サイクル工学研究所 放射線管理部, 技術・技能職 (40832316)
満田 和久 国立天文台, 先端技術センター, 特任教授 (80183961)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 原子時計 / 原子核分光 / ガンマ線分光 / カロリーメーター |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、原子核遷移の共鳴周波数を基準とする光周波数標準の実現をめざし、トリウム229 (Th-229) の超低エネルギー原子核準位のエネルギーを決定することである．
トリウムの同位体Th-229の原子核準位には、基底状態からエネルギーがわずか8.3 eVのところに準安定状態（アイソマー状態と呼ばれる）が存在する．8.3 eVは、波長に換算すると150 nmと真空紫外波長であり、レーザーが作成可能なエネルギーである．従ってTh-229の原子核は、この2つの準位間の遷移を使いレーザー分光できると考えられている．その応用として注目されているのが、この核遷移にレーザー周波数を安定化する周波数標準 : 原子核時計である．原子核時計の精度は、既存の原子時計を1桁上回る19桁に達すると予測されている．しかし2019年まで、アイソマー状態のエネルギーの報告値は3.5 eVから7.8 eVの範囲にちらばっており、互いにそれぞれの不確かさ内で一致していなかった．
本研究では、超高分解能ガンマ線検出器である超電導転移端センサー(TES, Transition Edge Sensor)を用いて、ウラン233(U-233)がα崩壊してTh-229に壊変するときに放出されるエネルギー29 keVのガンマ線を精密に分光し、アイソマー状態のエネルギーを精密に決定することを目標としている．2019年度には、アイソマー状態のエネルギーを8.30 (92) eV と決定し論文発表した. 2019年から2020年にかけて、世界で他に2つのグループが異なる実験手法でアイソマー状態のエネルギーを測定し、すべの値が不確かさの範囲内で一致した．今年度は、さらに精度良くエネルギーを決定するために、測定装置の性能改善を行った．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究では、ウラン233がトリウム229に崩壊する際に放出されるエネルギー29 keVのガンマ線スペクトルの分裂を精密に測定することで、トリウム229のアイソマー状態のエネルギー(8 eV程度)を測定することを目指している．
2019年、本研究では、アイソマー状態のエネルギーを8.30 (92) eV と決定し、その結果を論文発表した． 2019年から2020年にかけて、世界で他に2つのグループが異なる実験手法でアイソマー状態のエネルギーを測定し、すべの値が不確かさの範囲内で一致した． これにより、本研究の目的であるアイソマー状態の絶対エネルギーを決定するという目標は達成し、論文発表も完了した．
2019年に本研究で決定したアイソマー状態のエネルギー値の不確かさ0.92 eVは、統計不確かさ(Statistical uncertainty)が支配的であった．したがって、系統不確かさ(Systematic uncertainty)のみでアイソマー状態のエネルギーを決定することをめざし、さらなる実験装置の改良とデータ取得を試みた．具体的には、前回よりもTES素子のエネルギー分解能を改善し（スペクトル半値全幅36 eV → 20 eVに改善）、素子数も3ピクセルに増やした（前回は1ピクセル）．さらに、U-233線源の強度を5倍に増強した．そしてこれらの改良の後、新たな測定を行った．取得したデータの一部を解析し、測定対象であるTh-229のエネルギー29 keVピークが観測されていることを確認した．
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では2019年度、Th-229アイソマー状態のエネルギーを8.30(0.92) eVと決定した．そして今年度、Th-229のアイソマー状態のエネルギーを精度良く決定するため、TES素子のエネルギー分解能の改善・ピクセル数の増強・線源強度の増強を行い、新たな測定を行った．解析したデータは、全データの1/6 程度であるが、すでにTh-229のピーク（解析対象）が確認されている．今後は、残りの測定データを解析し、アイソマー状態のエネルギーを、系統誤差(0.45 eV)で制限される精度で決定することを目指す．さらに今回の測定では、測定対象のTh-229のピーク(エネルギー29 keV)の付近に、前回より多くのエネルギー校正用のピークが出るように装置を設計した．これらのピークを用いて、ガンマ線の絶対エネルギー決定における系統不確かさも低減することをめざす．
また、この測定対象のエネルギー29 keVのピークは、エネルギー8.3 eV(アイソマー状態のエネルギー)の幅で2つに分裂しているダブルピークである（前回の測定では、測定装置の分解能が36 eVだったため、この分裂が見えていなかった）．これは、トリウム229の第2励起状態（エネルギー29 keV）からは、基底状態とアイソマー状態の両方に崩壊するからである．今回、TES素子のエネルギー分解能を改善したため、全データを解析すれば、このスペクトル分裂を観測し、その分裂幅から遷移エネルギーを精密に決定することもできる可能性がある．今後は、この手法でアイソマー状態のエネルギーを決定することもめざす．
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