反物質系ボース・アインシュタイン凝縮のためのポジトロニウム生成・濃縮・冷却の実現

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01923
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 石田 明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00647670)
• 研究分担者: 大島 永康 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (00391889) ; 満汐 孝治 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (10710840) ; 渡邉 亮太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (50736832) ; 甲斐 健師 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (70403037) ; 伊藤 賢志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (90371020)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 反物質 / ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) / ポジトロニウム / レーザー冷却 / 高密度陽電子 / 陽電子蓄積装置 / 輝度増強システム / ポジトロニウム生成・濃縮・冷却ナノ反応器

研究実績の概要

本研究の目的は、素粒子物理学・原子物理学・光科学の各分野にパラダイムシフトをもたらすべく、反物質系ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) を実現させ、物質優勢の宇宙の謎を解く鍵となる反物質重力測定による物質・反物質対称性の検証やポジトロニウム (Ps) 原子のエネルギー準位超精密測定による束縛系量子電磁力学の精密検証、さらにはガンマ線レーザーに応用することである。本研究の目標は、Ps-BEC実現に必須技術となる高効率のPs生成・濃縮・冷却手法の確立である。2021年度は以下のように、(1) Ps-BECを発現させるための「ナノ反応器」としての高度機能性シリカ多孔体開発、(2) 高密度Ps生成に必要な陽電子の蓄積と圧縮を実現する高密度陽電子ビーム生成システム開発、(3) Psレーザー冷却実験において大きな進展があった。
(1) ナノ反応器開発：Psレーザー冷却を阻害することが判明したシリカエアロゲルに代わるナノ反応器候補として、①規則配列シリカナノ粒子、②ナノプロセシングを駆使した手法による格子パターンシリカ、の2手法を研究した。それぞれの手法で試作したナノ反応器を用いて産総研およびKEKの陽電子ビームラインで行った実験でPs生成を確認し、これら手法によるナノ反応器開発に道筋をつけた。
(2) 陽電子ビーム開発：電子線形加速器を使って発生させた陽電子を閉じ込めるため、シリコンカーバイド減速材を用いたトラップを開発し、Ps高密度化の肝となる陽電子蓄積効率を大幅に改善することに成功した。
(3) Psレーザー冷却：KEK陽電子ビームラインにおいてPs冷却用紫外レーザー（波長243 nm）をPsに照射したところ、レーザー反射ミラーが帯電してPs励起確率の測定が正しく行えないことが判明した。検出装置を改良し、Ps低温化に不可欠なPsレーザー冷却の原理実証実験を行う準備を完了した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] Observation of orthopositronium thermalization in silica aerogel at cryogenic temperatures (2021)
  • 著者名/発表者名: Shu Kenji、Ishida Akira、Namba Toshio、Asai Shoji、Oshima Nagayasu、O'Rourke Brian E.、Ito Kenji
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 104 ページ: L050801-1～6
  • DOI: 10.1103/physreva.104.l050801
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] （2020G101）ポジトロニウムのレーザー冷却を見据えたドップラー分光法の開拓 (2022)
  • 著者名/発表者名: 魚住亮介、田島陽平、小林拓豊、蔡恩美、石田明、難波俊雄、浅井祥仁、五神真、大島永康、オロークブライアン、満汐孝治、伊藤賢志、鈴木良一、兵頭俊夫、望月出海、和田健、周健治、吉岡孝高
  • 学会等名: JAEA 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] （2020G631）多孔材料から放出されるポジトロニウムの飛行時間法によるエネルギー分布測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周健治、魚住亮介、小林拓豊、田島陽平、吉岡孝高、前川雅樹、和田健、難波俊雄、石田明、浅井祥仁
  • 学会等名: JAEA 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] 低速陽電子実験施設報告 (2022)
  • 著者名/発表者名: 和田健、望月出海、R. Ahmed、星健夫、兵頭俊夫、一宮彪彦、水野清義、仁谷浩明、小菅隆、齋藤裕樹、石井晴乃、永谷康子、五十嵐教之、榎本嘉範、白川明広、諏訪田剛、設楽哲夫、古川和朗、岩瀬広、河裾厚男、白澤徹郎、石田明、周健治
  • 学会等名: JAEA 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田明、難波俊雄、浅井祥仁、五神真、田島陽平、小林拓豊、魚住亮介、周健治、蔡恩美、吉岡孝高、大島永康、オロークブライアン、満汐孝治、伊藤賢志、熊谷和博、鈴木良一、藤野茂、兵頭俊夫、望月出海、和田健、甲斐健師
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会 (2022年)
• [学会発表] ポジトロニウムのレーザー冷却に向けた深紫外チャープパルス光源の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田島陽平、山田恭平、小林拓豊、石田明、難波俊雄、浅井祥仁、五神真、蔡恩美、周健治、吉岡孝高
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会 (2022年)
• [学会発表] ポジトロニウムの高分解能速度分布測定法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 魚住亮介、田島陽平、小林拓豊、石田明、難波俊雄、浅井祥仁、周健治、吉岡孝高
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会 (2022年)
• [学会発表] SiC減速材を用いた高効率陽電子トラップの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 満汐孝治、桧垣浩之、石田明、大島永康
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会 (2022年)
• [学会発表] ポジトロニウムのレーザー冷却実証に向けたドップラー分光法の開拓 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林拓豊、田島陽平、魚住亮介、蔡恩美、石田明、難波俊雄、浅井祥仁、五神真、大島永康、オロークブライアン、満汐孝治、伊藤賢志、鈴木良一、兵頭俊夫、望月出海、和田健、周健治、吉岡孝高
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会 (2022年)
• [学会発表] ボース・アインシュタイン凝縮実現のためのポジトロニウム冷却 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田明、橋立佳央理、難波俊雄、浅井祥仁、五神真、田島陽平、小林拓豊、魚住亮介、周健治、蔡恩美、吉岡孝高、大島永康、オロークブライアン、満汐孝治、伊藤賢志、熊谷和博、鈴木良一、藤野茂、兵頭俊夫、望月出海、和田健、甲斐健師
  • 学会等名: 第58回アイソトープ・放射線研究発表会
• [学会発表] Experimental progress in physics of cold positronium (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Shu、Y. Tajima、T. Kobayashi、R. Uozumi、E. Chae、K. Yoshioka、A. Ishida、T. Namba、S. Asai、M. Kuwata-Gonokami、N. Oshima、B. E. O’Rourke、K. Michishio、K. Ito、K. Kumagai、R. Suzuki、S. Fujino、T. Hyodo、I. Mochizuki、K. Wada、T. Kai
  • 学会等名: VIRTUAL FPUA 2021 Fundamental Physics Using Atoms
  • 国際学会
• [学会発表] Dense positronium formation for Bose-Einstein condensation (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Ishida、K. Hashidate、T. Namba、S. Asai、M. Kuwata-Gonokami、Y. Tajima、T. Kobayashi、R. Uozumi、K. Shu、E. Chae、K. Yoshioka、N. Oshima、B.E. O’Rourke、K. Michishio、K. Ito、K. Kumagai、R. Suzuki、S. Fujino、T. Hyodo、I. Mochizuki、K. Wada、T. Kai
  • 学会等名: 12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (PPC 12.5)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a high-resolution probing laser suited for cold positronium spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Uozumi、Y. Tajima、T. Kobayashi、K. Shu、E. Chae、K. Yoshioka、A. Ishida、T. Namba、S. Asai、M. Kuwata-Gonokami、N. Oshima、B. E. O’Rourke、K. Michishio、K. Ito、K. Kumagai、R. Suzuki、S. Fujino、T. Hyodo、I. Mochizuki、K. Wada、T. Kai
  • 学会等名: 12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (PPC 12.5)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a chirped pulse laser for cooling poistronium (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Tajima、K. Yamada、T. Kobayashi、R. Uozumi、A. Ishida、T. Namba、S. Asai、M. Kuwata-Gonokami、K. Shu、E. Chae、K. Yoshioka、N. Oshima、B. E. O’Rourke、K. Michishio、K. Ito、K. Kumagai、R. Suzuki、S. Fujino、T. Hyodo、I. Mochizuki、K. Wada、T. Kai
  • 学会等名: 12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (PPC 12.5)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced decay and line broadening of 2P ortho-positronium inside silica pores (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Shu、K. Yamada、K. Hashidate、A. Ishida、T. Namba、S. Asai、M. Kuwata-Gonokami、Y. Tajima、E. Chae、K. Yoshioka、N. Oshima、B. E. O’Rourke、K. Michishio、K. Ito、K. Kumagai、R. Suzuki、S. Fujino、T. Hyodo、I. Mochizuki、K. Wada、T. Kai
  • 学会等名: 12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (PPC 12.5)
  • 国際学会
• [学会発表] ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田明、橋立佳央理、難波俊雄、浅井祥仁、五神真、田島陽平、小林拓豊、魚住亮介、周健治、蔡恩美、吉岡孝高、大島永康、オロークブライアン、満汐孝治、伊藤賢志、熊谷和博、鈴木良一、藤野茂、兵頭俊夫、望月出海、和田健、甲斐健師
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] ボース・アインシュタイン凝縮を目指した高密度ポジトロニウム生成材料の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田明、橋立佳央理、難波俊雄、浅井祥仁、五神真、田島陽平、小林拓豊、魚住亮介、周健治、蔡恩美、吉岡孝高、大島永康、オロークブライアン、満汐孝治、伊藤賢志、熊谷和博、鈴木良一、藤野茂、兵頭俊夫、望月出海、和田健、甲斐健師
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 電子線形加速器を用いた電子陽電子プラズマ実験に向けて (2021)
  • 著者名/発表者名: 桧垣浩之、満汐孝治、橋立佳央理、石田明、大島永康
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 電子線形加速器と荷電粒子閉じ込め装置に基づく低エネルギー陽電子ビーム生成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 桧垣浩之、満汐孝治、大島永康、石田明
  • 学会等名: 2021年度ビーム物理研究会
• [備考] ボース-アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却（東京大学・Tabletop実験HP）
  • URL: https://tabletop.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/?page_id=110
• [備考] Ps-BEC Project Webpage（東京大学助教・石田明作成）
  • URL: https://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/~ishida/work/psbec/index.html