反水素の超微細遷移と反陽子の磁気モーメント

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24000008
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 山崎 泰規 国立研究開発法人理化学研究所, Ulmer基本的対称性研究室, 研究員
• 研究期間 (年度): 2013 – 2017
• キーワード: 反水素 / 反陽子 / CPT対称性 / 磁気モーメント / 陽電子

研究実績の概要

冷反水素生成 : 昨年度開発に成功した反陽子ビームの断熱輸送法をさらに高度化し、反陽子ビームの輸送効率を昨年度より30%向上させた。このビームを用い、より低温の反水素を合成するため、二重カスプトおける反陽子と陽電子の準静的混合法の開発を進めた。準静的混合には二つの異なる手法が考えられ、その得失を実験的に確認した。その結果、
(1)30秒という巨視的時間にわたってゆっくりと混合することに成功した。
(2)この準静的な反陽子と陽電子の混合では、混合後も30秒以上にわたって反水素合成に関わる消滅信号が観測された。一分以上にわたる持続的な反水素生成はこれまでに例がなく、大きな成果となっている。
(3)反水素ビーム検出器の反水素同定性能をさらに向上させ、またマシーンラーニングの手法を外部の専門家も巻き込んで開発した。
(4)ビームライン下流に強力な電場イオン化装置を設置し、ビームとして引き出された反水素の主量子数分布を測定することに成功した。
(5)タイムピクセル検出器を導入し、低エネルギー反陽子の消滅パターン(放出2次粒子数分布)を測定した。keV以下での測定は初めてで、今後の反陽子の同定に重要な情報を与える。
単一反陽子による超高精度測定 : ペニングトラップへの単一反陽子の捕捉、操作技術の高度化に成功した。その成果をもとに、
(1)反陽子の磁気モーメントを昨年に出した世界記録をさらに350倍上回る1.5ppbを達成した。これを他グループの達成精度と比較すると2000倍以上の高精度化となっている。この反陽子の磁気モーメントの精度は陽子の磁気モーメントの精度を上回っている。自然界に存在しない反陽子の物理的性質を、自然界に最も豊富に存在する陽子の物理的性質より高い精度で決定できたことは、画期的であると自負している。
(2)次いで、陽子の磁気モーメントの高精度測定を進め、やはり我々が以前に得た最高精度をさらに11倍向上させた0.3ppbを得た。これにより、陽子の磁気モーメント精度が、再び反陽子の精度を上回った。
(3)上記の(1)、及び、(2)の成果から、陽子と反陽子の磁気モーメントに関わるCPT対称性が、これまでに知られていた精度を3000倍上回る精度で保存していることを明らかにした。
(4)反陽子を405日ペニングトラップ中に維持し続けることに成功し、直接観測による反陽子の寿命限界をこれまでより7倍延ばした。
(5)以上の成果は、単一反陽子のスピン反転を観測できる検出器の開発成功によるところが大きい。
(6)反陽子の測定精度をさらにあげるため、サイクロトロン検出器の改良を進め、サイクロトロン周波数を高精度且つ短時間に測定可能とした。現在300pTの磁場変動をreal-timeで検出可能となっており、今後のさらなる高精度化に重要な役割を果すと考えている。
(7)レーザー冷却されたBeイオンによる反陽子の共同冷却法開発を進めており、第一段階は既に成功した。この実現により、さらに大幅な精度向上が達成できると考えている。

研究成果

• [国際共同研究] Stefan Meier Institut(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Stefan Meier Institut
• [国際共同研究] Brescia Univ.(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Brescia Univ.
• [国際共同研究] Max Planck Institut (Heidelberg)/Mainz Univ.(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institut (Heidelberg)/Mainz Univ.
• [国際共同研究] CEA, Saclay(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CEA, Saclay
• [雑誌論文] Sixfold improved single particle measurement of the magnetic moment of the antiproton (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagahama, C. Smorra, S. Sellner, J. Harrington, T. Higuchi, M. J. Borchert, T. Tanaka, M. Besirli, A. Mooser, G. Schneider, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, and S. Ulmer
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 : 14084 ページ: 43, 107
  • DOI: 10.1038
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of individual spin quantum transitions of a single antiproton (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Smorra, A. Mooser, M. Besirli, M. J. Borchert, J. Harrington, T. Higuchi, H. Nagahama, G. L. Schneider, S. Sellner, T. Tanaka, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, S. Ulmer
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 769 ページ: 43, 106
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2017.03.024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A parts-per-billion measurement of the antiproton magnetic moment (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Smorra, S. Sellner, M. J. Borchert, J. A. Harrington, T. Higuchi, H. Nagahama, T. Tanaka, A. Mooser, G. Schneider, M. Bohman, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, S. Ulmer
  • 雑誌名: Nature 巻: 550 ページ: 43, 107
  • DOI: 10.1038/nature24048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Double-trap measurement of the proton magnetic moment at 0.3 parts perbillion precision (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Schneider, A. Mooser, M. Bohman, N. Schön, J. Harrington, T. Higuchi, H. Nagahama, S. Sellner, C. Smorra, K. Blaum, Y. Matsuda, W. Quint, J. Walz, S. Ulmer
  • 雑誌名: Science 巻: 358 ページ: 43, 104
  • DOI: 10.1126/science.aan0207
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improved limit on the directly measured antiproton lifetime (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Sellner, MBesirli, MBohman, MJ Borchert, J Harrington, T. Higuchi, AMooser, H. Nagahama, G. Schneider, C. Smorra, T. Tanaka, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki and S. Ulmer
  • 雑誌名: New J. Physics 巻: 19 ページ: 43, 106
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aa7e73
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Imaging antimatter with a Micromegas detector (2017)
  • 著者名/発表者名: V. Maeckel, B. Radics, P. Dupre, H. Higaki, Y. Kanai, N. Kuroda, Y. Matsuda, Y. Nagata, M. Tajima, E. Widmann, Y. Yamazaki
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B : Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 422 ページ: 43, 106
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2018.02.026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The ASACUSA antihydrogen and hydrogen program : results and prospects (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Malbrunot, H. Breuker, P. Dupre, M. Fleck, H. Higaki, Y. Kanai, B. Kolbinger, N. Kuroda, M. Leali, V. Maeckel, V. Mascagna, Y. Matsuda, Y. Nagata, M. C. Simon, H. Spitzer, M. Tajima, S. Ulmer, L. Venturelli, E. Widmann, Y. Yamazaki
  • 雑誌名: Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 巻: 376 ページ: 2116-2126
  • DOI: 10.1098/rsta.2017.0273
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Development of the Antihydrogen Beam Detector : Toward the Three Dimensional Tracking with a BGO Crystal and a Hodoscope (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagata, N. Kuroda, C. Sauerzopf, B. Kolbinger, C. Malbrunot, B. Radics, M. Tajima, M. Leali, V. Mascagna, T. Matsudate, M. C. Simon, H. Breuker, H. Higaki, Y. Kanai, Y. Matsuda, L. Venturelli, E. Widmann, and Y. Yamazaki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Conf. Proc. 巻: 18 ページ: 011010(1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.18.011007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Manipulation and Transport of Antiprotons for an Efficient Production of Antihydrogen Atoms (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Tajima, N. Kuroda, P. Dupre, Y. Nagata, B. Radics, T. Matsudate, M. Leali, V. Mascagna, L. Venturelli, H. Breuker, H. Higaki, Y. Kanai, E. Lodi~Rizzini, Y. Matsuda, S. Ulmer, and Y. Yamazaki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Cong. Proc. 巻: 18 ページ: 011008(1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.18.011008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Antihydrogen Synthesis in a Double-Cusp Trap (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Kuroda, M. Tajima, B. Radics, Y. Nagata, C. Kaga, Y. Kanai, M. Leali, V. Mascagna, T. Matsudate, H. Breuker, H. Higaki, Y. Matsuda, S. Ulmer, L. Venturelli, and Y. Yamazaki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Conf. Proc. 巻: 18 ページ: 011009(1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.18.011008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Challenging the Standard Model by High-Precision Comparisons of the Fundamental Properties of the Antiproton and the Proton (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Ulmer
  • 学会等名: 48th Annual Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular and Optical Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 0.8 Parts per Million Measurement of the Antiproton's Magnetic Moment (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Ulmer
  • 学会等名: EMMI, Center for Quantum Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The ASACUSA antihydrogen and hydrogen program : results and prospects (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Malbrunot
  • 学会等名: The Royal Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis of antihydrogen with adiabatically transported cold antiprotons (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Kuroda
  • 学会等名: 30th ICPEAC
  • 国際学会
• [図書] Antihydrogen Beams (physics world discovery books) : DOI 10.1088/978-0-7503-2021-4 (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamazaki, M. Doser, and P. Perez
  • 総ページ数: 28
  • 出版者: IOP
• [備考]
  • URL: http://radphys4.c.u-tokyo.ac.jp/asacusa/wiki/
• [備考]
  • URL: http://ulmerfsl.riken.jp/
• [学会・シンポジウム開催] 12th International Conference on Low Energy Antiproton Physics (2016)
  • 年月日: 2016-03-06 – 2016-03-11