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ミュオニウムは正ミュオンと電子が束縛したレプトンのみで構成される水素様原子の一種である。その超微細構造は素粒子標準理論による計算値と実験値とが高精度に比較可能であり、素粒子標準理論の一つである量子電磁力学の高精度検証が可能である。本研究は、茨城県にあるJ-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)で計画されている、高磁場中でのミュオニウム超微細構造精密測定の高度化に向けたもので、高磁場用の前置検出器とラビ振動分光の開発を進めた。
ミュオニウム超微細構造測定実験では、大強度パルスミュオンビームをガス標的に入射してミュオニウムを生成し、ミュオンが崩壊して放出する陽電子数の角度依存性からミュオンスピンの変化を測定する。これまではビーム直下流の後方検出器で計測を行っていたが、これに加えて上流側に前置検出器を設置することで、統計量を増やすことができる上に、ミュオンビームの変動に起因する系統的不確かさについてもより確実な見積もりを行うことが可能となる。しかし、高統計量を得るために大強度パルスビームを用いるため、また設置スペースも限定されているため、それに対応した検出器を開発する必要がある。そこで粒子トラッキングシミュレーションを駆使して検出器仕様を決定し、実際の検出器モジュールを完成させた。
またゼロ磁場におけるミュオニウム超微細構造測定で開発が進められてきたラビ振動分光は、従来の測定で周波数を掃引して共鳴曲線を描くの手法と異なり、単一の周波数から共鳴周波数を決定する手法である。高磁場実験の場合はゼロ磁場実験と状態遷移が異なるため、別途定式化等が必要であった。本研究によりそれらが進められ、高磁場への応用が進められた。
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