ペニングトラップを用いたミューオン精密測定手法の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K21872
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 飯沼 裕美 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (60446515)
• 研究分担者: 神田 聡太郎 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 基礎科学特別研究員 (10800485) ; 河村 成肇 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, 特別准教授 (60311338) ; 仁尾 真紀子 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 上級研究員 (80283927) ; 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) ; 西村 昇一郎 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, 博士研究員 (20836431)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2021-03-31
• キーワード: ペニングトラップ / ４極電場

研究実績の概要

本研究では、ミューオンを単独で電磁場内に捕獲するためのペニングトラップ装置の設計にひつような基礎原理の確立に取り組んだ。電子のペニングトラップ技術は確立されており、その技術をベースにミューオンを始めとする短寿命荷電粒子の精密計測の基礎実験技術を確立させることを目標に設定した。これは次なるステップとして、ミューオンやミューオニック原子の質量や磁気モーメントg因子を世界最高精度で求めることを念頭に置く。 精密測定によって、既知の物理学の限界を究め、さらに新しい物理の探索を行う、低エネルギー素粒子実験とも呼ぶべき分野を新たに開拓し確立することを目指す。
最終年度の成果は、トラップ電極の具体設計に必要な情報の整理と、電極の具体設計に必要な計算環境の構築に取り組んだ。特に、ペニングトラップ実験では、1.7T、磁場均一度0.1ppmの強磁場中に４極電場発生用の電極を配置するために、精密な電極形状と、電極表面に生じるエディー電流による誤差磁場の評価を注意深く行わねばならない。電子ペニングトラップ実験の情報を精査し、許容誤差の見積もりと誤差が最終的な物理結果に与える影響を見積もるために、本課題研究費で購入したワークステーションを用いて３次元有限要素法の電磁場シミュレーションツール(OPERA)による繰り返し計算および、J-PARCで生成する冷却ミューオンビームをGEANT4を用いたトラッキング評価と組み合わせて実験の具体設計を大きく前進させた。また、４極電場試作用の高圧電源も購入した。
本研究による実験に関わる基礎概念の構想がまとまり、基盤研究S(20H05646)「電磁トラップを利用したミュー粒子の質量と磁気モーメントの精密測定と新物理探索」の採択へとつなげ、実験推進に向けて大きく貢献できた。