KEKら,ミュオニウムの微細構造をマイクロ波分光

高エネルギー加速器研究機構(KEK),理化学研究所,東京大学は,大強度陽子加速器施設(J-PARC) 物質・生命科学実験施設(MLF)ミュオン科学研究施設(MUSE)の大強度のパルス状ミュオンビームを用いて,ミュオニウム原子の基底状態における超微細構造をマイクロ波分光することに成功した(ニュースリリース)。

水素原子は自然界に存在するもっとも単純な原子だが,そのスペクトル線には微細構造や超微細構造(HFS)と呼ばれる構造が含まれている。

水素原子のスペクトル線を理解するためには,量子電磁力学が必要になるが,水素原子の原子核である陽子はそれ自体が複雑な内部構造を持つ複合粒子で,現代の理論を駆使しても計算可能な精度には限界があった。

一方,陽子の代わりに正電荷のミュオンが電子と束縛して構成される原資であるミュオニウムは水素原子とよく似た性質を持ちながら,電子もミュオンも構造を持たない素粒子であるために高精度の理論計算が可能なため,単体で標準模型の相互作用を検証できる理想的な「水素原子」と言えるが,これまで用意できるミュオニウムの数に限りがあることが測定精度を制限していた。

研究グループはJ-PARC MLF MUSEの大強度パルスミュオンビームを用いて大量のミュオニウムを生成し,その基底状態におけるHFSを精密に分光することで標準模型を検証すると同時に,それらを超えた未知の物理現象の探索を行なうことを目指した。

研究グループは細分化したプラスチックシンチレーターと小型の半導体光検出器を組み合わせた陽電子検出器を開発。実験はミュオンビームを貴ガスの一種であるクリプトンガスに入射して,電子捕獲によりマイクロ波共振器の内部でミュオニウムを生成した。

ミュオンと電子はそれぞれスピンを持つため,ミュオニウムはスピンが平行か反平行か2通りの状態をとりうる。適切な周波数のマイクロ波を照射することでミュオンのスピンを反転させることができる。

ミュオンが崩壊して放出される陽電子はミュオンのスピン方向に出やすい。この性質を利用して,ある角度範囲に放出される陽電子の数を数えることでミュオンのスピン,すなわちミュオニウムの状態を調べることができる。今回,パルス状ミュオンを用いた実験でミュオニウムHFSの高精度測定が可能であることを示した。

これをもとに建設中の新ビームラインにおけるミュオニウムHFSの測定精度を計算したところ,およそ40日間の測定で世界記録を10倍更新できる見通しを得たとしている。

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