人工磁気圏を反物質トラップとして活用する電子・陽電子プラズマの実現と物性解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H04936
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 齋藤 晴彦 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60415164)
• 研究分担者: 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) ; 佐藤 直木 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (60872893) ; 柳 長門 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (70230258) ; 檜垣 浩之 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 准教授 (10334046)
• 研究期間 (年度): 2022-04-27 – 2027-03-31
• キーワード: 反物質プラズマ / 電子・陽電子プラズマ / 低速陽電子ビーム / 陽電子プラズマ / ダイポール磁場 / 磁気浮上ダイポール / 非中性プラズマ / 高温超伝導

研究実績の概要

本年度は，(1)産総研陽電子ビームラインにおける永久磁石ダイポールを用いたトラップ実験（ドイツグループとの共同研究），(2)冷却方式や励磁機構の決定を中心とした磁気浮上超伝導ダイポール装置の設計，(3)5Tマグネットによる陽電子蓄積装置の開発研究を進めた．(1)陽電子ビーム実験では，バッファガストラップを活用したビーム入射により，ダイポール磁場中に捕獲した陽電子数を大幅に増加させることに成功した．消滅ガンマ線の多点計測により，ビームの持つエネルギー拡がりによりトロイダル方向に一様化が進む様子が観察された．これはタイポール磁場中で陽電子群の一種の集団現象を始めて観測した例である．現時点の捕獲陽電子の上限は，バッファガストラップから供給されるパルス陽電子の個数に規定されており，今後の陽電子蓄積装置の導入により更なる大量陽電子を捕獲し，プラズマ条件を満たすことが可能と見積もっている．また関連して軌道のカオスや中性粒子との衝突の影響に着目した軌道解析を実施し，径方向輸送機構の理解の進展が得られた．(2)磁気浮上ダイポールについては，冷却方式の再検討と評価試験が必要と判断から繰越を行い研究を継続し，希薄なヘリウムガスを用いた対流方式による超伝導コイルの冷却システムを設計し，運転温度への到達が可能との見通しを得た．試験結果に基づいて，励磁コイル及び磁気浮上コイルの構造を決定し，高温超伝導コイル群の設計を進めている．磁気浮上ダイポールについては，初年度に製作業者の変更を契機として計画に遅れが発生したが，新たな製作業者の協力の下で低温試験や機器の設計が順調に進んでおり，性能を満たす小型磁気浮上ダイポールの製作に注力している．(3)陽電子蓄積装置について，5Tマグネットに多重リング電極を導入した上で真空試験を進めており，今後の電子ビームの蓄積実験を経て陽電子の大量捕獲が見通せる状況となった．

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

永久磁石ダイポール装置を用いて陽電子ビームのトラップ中への入射実験を前倒しして進め，これにより捕獲陽電子数の増大と集団現象の観測という進展が得られた．これらの研究結果は，低速陽電子源，ダイポールトラップ，消滅ガンマ線を中心とした計測システムを組み合わせ国際協力により実現された新しい成果と言える．また，実験を通してトロイダル方向に加えて径方向に電子と陽電子を一様化することが反物質プラズマを実現する上で重要と認識された．これにより軌道のカオスの効果を用いた効率的な混合方法が提案され，また中性粒子との衝突の影響を考慮することで，ダイポール磁場中で回転電場による粒子軌道が周期運動とならず径方向の圧縮が可能になることが，粒子軌道解析を通して原理的に示された．これらを実験的に検証することが今後の新しい研究課題となる．
電子と陽電子の同時捕獲に要求される超伝導装置群に関しては，5Tマグネットの導入を完了しており，リング電極群を利用した基本的な運転が可能となっている．また磁気浮上ダイポール装置の設計も構成要素の問題を解決しながら比較的順調に計画が進展している．ダイポール装置に関しては，当初進めてきた製作業者との協力が前年度までに中止を余儀なくされ，設計段階から新たに進めることで遅れが生じていた．上述の通り新しい製作業者を選定して再設計を進め，装置開発の見通しが得られた段階にある．また，装置設計見直しの過程では，より効率的な冷却方式の考案やコイルの熱遮蔽構造について新しいアイデアが得られており，これらの新しい知見を反映した小型磁気浮上ダイポールの製作を進めている．
こうした状況から，多数陽電子の捕獲と集団現象の観測を中心とした低速陽電子ビーム実験と，最終目標である電子・陽電子実験に向けて鍵となる超伝導装置群の開発を進めており，研究活動はおおむね良好な状態で進展していると考えられる．

今後の研究の推進方策

これまで進めてきた永久磁石ダイポールを用いた陽電子ビーム実験は，閉じた磁力線を持たない装置における研究としては一定の成果が得られたと考えている．この課題については，追加の実験を行うことはせず，今後はデータ解析と結果の解釈を進める．
最終目標の実現に必要な超伝導トラップ装置群の開発に注力して早期に完成させることが取り組むべき重要な課題となっている．5Tマグネットによる陽電子蓄積計画は，マグネットの定格磁場運転の際に確認された必要な磁場対策をターブ分子ポンプ等に施した上で，純電子の蓄積実験を経て，バッファガストラップかからのビームラインを接続し，陽電子蓄積実験を進める予定である．磁気浮上ダイポールについては，細部を検討し決定すべき項目が数点残されており，早い時期にこれらの設計を進める．具体的には，磁気浮上運転時の入熱を最小化しつつ効率的な対流冷却を実現するための超伝導コイル巻線及びシールド部の構造と，真空容器内部に配置する開閉式のヘリウムガス充填槽の設計である．これらの課題を研究グループ及び協力関係にある低温機器設計会社と共に進める必要がある．
また，陽電子の効果的な入射を実現するための導入軌道の最適化は磁気浮上ダイポールにおいて重要な課題であり，軌道解析及びドリフト入射を実現するための必要機器の導入を平行して進める．ダイポール磁場中の陽電子と電子のカオスの効果を用いた効率的な混合や，中性粒子との衝突の効果を有効に活用した回転電場による圧縮は，今年度の実験結果を検討する中で陽電子軌道の検討により得られた新しい研究課題である．軌道の数値的な解析を進めると共に，最終的にはこれらの効果を実験的により検証することを計画しており，必要な回転電場強度や検出のための計測機器の導入を進める計画である．

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク・プラズマ物理研究所/ミュンヘン工科大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク・プラズマ物理研究所/ミュンヘン工科大学
• [雑誌論文] Experimental study on chorus emission in an artificial magnetosphere (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Saitoh, M. Nishiura, N. Kenmochi, Z. Yoshida
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 ページ: 861 1-11
  • DOI: 10.1038/s41467-024-44977-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Combined remoderation-drift scheme for positron injection into a magnetic trap (2023)
  • 著者名/発表者名: U. Hergenhahn, J. Horn-Stanja, S. Nissl, H. Saitoh, M. Singer, T. Sunn Pedersen, C. Hugenschmidt, and E. V. Stenson
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 ページ: 023172 1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.023172
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 永久磁石ダイポールに捕獲したパルス陽電子群の軌道解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 齋藤晴彦，J. von der Linden，A. Deller，檜垣浩之，満汐孝治，堀利彦，大島永康
  • 学会等名: 物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Injection and trapping of pulsed positrons in dipole magnetic field toward pair-plasma creation (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Saitoh, J. von der Linden, A. Deller, H. Higaki, K. Michishio, T. Hori, N. Oshima, S. Nissl, E. V. Stenson
  • 学会等名: AAPPS-DPP2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダイポール磁場配位における回転電場による陽電子の径方向軌道操作 (2023)
  • 著者名/発表者名: 齋藤晴彦，檜垣浩之，満汐孝治，大島永康，柳長門，佐藤直木
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
  • 招待講演
• [学会発表] ダイポール磁場配位における電子・陽電子プラズマ実験計画 (2023)
  • 著者名/発表者名: 齋藤晴彦，檜垣浩之，満汐孝治，大島永康，柳長門，佐藤直木
  • 学会等名: 第27回 プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部大会
  • 招待講演
• [学会発表] 磁気圏型配位RT-1で観測されるコーラス放射の発生領域 (2023)
  • 著者名/発表者名: 齋藤晴彦，西浦正樹，上田研二，温周陽，三村洸生，釼持尚輝，吉田善章
  • 学会等名: 物理学会2024年春季大会 2024年3月18-21日
• [学会発表] Recent advances in the understanding of fluctuation activities of high-beta plasma in RT-1 (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Saitoh, M. Nishiura, T. Mori, K. Ueda, R. Nakagawa, Z. Wen, K. Nunotani, S. Murai, N. Sato, K. Kenmochi, and Z. Yoshida
  • 学会等名: IAEA FEC 2023, 29th IAEA Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Injection, confinement, and diagnosis of electrons and positrons in a permanent magnet dipole trap (2023)
  • 著者名/発表者名: E Stenson, J Linden, S Nissl, A Deller, M Singer, N Belmore, CP Hugenschmidt, TS Pedersen, H Saitoh
  • 学会等名: POSMOL 2023, 21st International Workshop on Low-Energy Positron and Positronium Physics and 23rd International Symposium on Electron-Molecule Collisions and Swarms
  • 国際学会
• [学会発表] The evolution of a bunch of 104-105 positrons in a dipole trap: efficient injection, toroidal homogenization, collisional pitch angle scattering, and radial diffusion to the wall (2023)
  • 著者名/発表者名: J Linden, A Deller, H Saitoh, H Higaki, K Michishio, T Hori, N Oshima, S Nissl, EV Stenson, APEX Collaboration
  • 学会等名: APS-DPP, 65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
• [学会発表] Recent milestones from the APEX Collaboration, on the path toward confined e+ e-pair plasmas Authors (2023)
  • 著者名/発表者名: E Stenson, A Card, J Danielson, A Deller, U Hergenhahn, J Horn-Stanja, H Higaki, C Hugenschmidt, P Huslage, J Von Der Linden, S Nissl, T Sunn Pedersen, CW Rogge, H Saitoh, D Schmeling, L Schweikhard, M Singer, M Singer, J Smoniewski, P Steinbrunner, M Stoneking, C Surko, APEX Collaboration
  • 学会等名: APS-DPP, 65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
• [学会発表] Moving into higher fields and collective behavior: recent advancements toward confined matter-antimatter pair plasmas (2023)
  • 著者名/発表者名: EV Stenson, A Card, JR Danielson, A Deller, U Hergenhahn, J Horn-Stanja, CP Hugenschmidt, P Gil, P Huslage, S Nissl, TS Pedersen, CW Rogge, H Saitoh, L Schweikhard, M Singer, J Smoniewski, P Steinbrunner, CM Surko, MR Stoneking, J Linden, APEX Collaboration
  • 学会等名: 49th EPS Conference on Plasma Physics
  • 国際学会