2020 Fiscal Year Annual Research Report
high-precision experiments in atomic and molecular physics using a negative muon beam and their astrophysical application
| Project Area | Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams |
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| Project/Area Number |
18H05458
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
東 俊行 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (70212529)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
一戸 悠人 立教大学, 理学部, 助教 (30792519)
山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073)
渡辺 伸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (60446599)
馬場 彩 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70392082)
井上 芳幸 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 上級研究員 (70733989)
池戸 豊 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, 先任技師 (90415050)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子ビーム / 負ミュオン / 超伝導X線検出器 / 量子電磁力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
計画研究の当初目標は、真空中に孤立したミュオン原子から放出されるミュオン特性X線を超伝導カロリメータを導入して精密分光し、ミュオン原子のエネルギー準位に現れる量子電磁力学(QED)効果を実験的に初めて明らかにすることであった。
2020年度は、2019年度にJ-PARCにおける実験で得られたミュオンNe原子からのミュオン特性X線と、ミュオンFe原子から放出される電子遷移に伴う電子特性X線のデータの詳細な解析を実施した。エネルギー校正用のX線発生装置を導入し、様々な金属から得られる特性X線をミュオン特性X線測定時に同時観測することによって、実験データ取得中の検出器出力ドリフトをオンライン測定した。解析では、これによりミュオンビームがパルス運転されていることを反映することに成功した。最終解析結果として、前者では、測定対象とするμNeからの5g→4f 遷移に伴うミュオン特性X線の絶対エネルギーを、検出器分解能(半値幅) 5.4-5.7 eV以下の高性能下で、6298.27 eV (統計誤差0.04 eV、系統誤差 0.13 eV以下)という精度で決定した。後者では、負ミュオンによる原子核電荷の遮蔽効果に加えて、電子軌道のL殻に複数の空孔が存在することに起因することを突き止めた。
一方で、今後の実験に導入を予定している高エネルギーX線に対応する多素子カロリメータの開発は、2020年春からのコロナ禍の影響を受けた。研究所の活動も大きく制限され、我々のグループから米国NISTに派遣した研究者が帰国を余儀なくされた。そのような状況下でも、一定の進展が見られカロリメータの検討や設計が進んだ。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
目標通りに、J-PARCに超伝導カロリメータを実際に導入して精密分光実験を実施し、最新の理論計算に対する強電場下のQED検証結果を得ることができた意義は大きい。加えて、固体鉄薄膜標的中で生成されたミュオンFe原子からの放出される電子特性X線のスペクトルが得られた。これは、時々刻々と変化する負ミュオンや電子配置を反映しているためで、複数の理論研究者の強力を得て、精密なエネルギー準位計算やこれを取り込んだダイナミクス計算によって、その様子を正確に理解することができた。その一方で、コロナ禍による高エネルギーX線に対応する多素子カロリメータの開発の遅れは避けがたいが、工夫することで着実な進展が見られた。
よって計画通りの成果や予想外の展開が得られたことと、コロナによる遅れの両方を考慮に入れて、ほぼ順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後コロナ禍も一応の落ち着きを見せ、高エネルギーX線用TES型超伝導カロリメータ開発が順調に進むことを期待する。その間に既存のTESカロリメータを利用した以下のような実験を計画している。
(1) ミュオン誘起電子特性X線の観測は、今までミュオン原子を対象としていたがこれをミュオン分子へと広げ、分子系特有の振動状態などの観測を目指す。
(2) ミュオン誘起電子特性X線の観測は、固体標的としてFeだけでなく他の金属や酸化物に適用し、物質の特性を反映したスペクトルが得られるかを検証する。さらに、ガス中の孤立標的としてArを対象とし、束縛電子が僅かに残った少数量子系としてのミュオンAr原子を用意し、ミュオンや電子の配置やダイナミクスに関する情報を得る。
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[Journal Article] Broadband high-energy resolution hard x-ray spectroscopy using transition edge sensors at SPring-82021
Author(s)
Yamada S., Ichinohe Y., Tatsuno H., Hayakawa R., Suda H., Uruga T., Sekizawa O., Nitta K., Takahashi Y., Itai T., Suga H., Nagasawa M., Tanaka M., Kurisu M., Hashimoto T., Okada S., Okumura T., Azuma T., Isobe T., Kohjiro S., Noda H., 他21名
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Journal Title
Review of Scientific Instruments
Volume: 92
Pages: 013103～013103
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] X-ray Spectroscopy of Muonic Atoms Isolated in Vacuum with Transition Edge Sensors2020
Author(s)
Okada S., Azuma T., Hashimoto T., Hayakawa R., Ichinohe Y., Indelicato P., Isobe T., Kanda S., Katsuragawa M., Kawamura N., Kino Y., Miyake Y., Ninomiya K., Noda H., Okumura T., Shimomura K., Strasser P., Takahashi T., Takeda S., Takeshita S., Tatsuno H., Ueno Y., Watanabe S., Yamada S., 他13名
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Journal Title
Journal of Low Temperature Physics
Volume: 200
Pages: 445～451
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Waveform Analysis of a 240-Pixel TES Array for X-Rays and Charged Particles Using a Function of Triggering Neighboring Pixels2020
Author(s)
Hayakawa R., the HEATES collaboration, Yamada S., Tatsuno H., Fowler J. W., Swetz D. S., Bennett D. A., Durkin M., O’Neil G. C., Ullom J. N., Doriese W. B., Reintsema C. D., Gard J. D., Okada S., Hashimoto T., Ichinohe Y., Noda H., Hayashi T.
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Journal Title
Journal of Low Temperature Physics
Volume: 200
Pages: 269～276
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Mitigating the Effects of Charged Particle Strikes on TES Arrays for Exotic Atom X-ray Experiments2020
Author(s)
Tatsuno H., Bennett D. A., Doriese W. B., Durkin M. S., Fowler J. W., Gard J. D., Hashimoto T., Hayakawa R., Hayashi T., Hilton G. C., Ichinohe Y., Noda H., O’Neil G. C., Okada S., Reintsema C. D., Schmidt D. R., Swetz D. S., Ullom J. N., Yamada S., the J-PARC E62 Collaboration
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Journal Title
Journal of Low Temperature Physics
Volume: 200
Pages: 247～254
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Integration of a TES-based X-ray spectrometer in a kaonic atom experiment2020
Author(s)
Hashimoto T., J-PARC E62 collaboration, Bennett D. A., Doriese W. B., Durkin M. S., Fowler J. W., Gard J. D., Hayakawa R., Hayashi T., Hilton G. C., Ichinohe Y., Ishimoto S., Morgan K. M., Noda H., O’Neil G. C., Okada S., Reintsema C. D., Schmidt D. R., Suzuki S., Swetz D. S., Tatsuno H., Ullom J. N., Yamada S.
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Journal Title
Journal of Low Temperature Physics
Volume: 199
Pages: 1018～1026
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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