東大ら,ラビ振動分光でミュオニウムを精密測定

東京大学と高エネルギー加速器研究機構(KEK)は,周波数掃引が不要の原子分光法を開発した(ニュースリリース)。

原子分光は構成粒子の性質を精密に調べる有力な手段であり,レーザーなど電磁波の周波数を少しずつ変え(掃引)ながら共鳴のピークを探し,共鳴曲線を描いて中心となる周波数を求める。

しかし,精密な測定のためには,電磁波のパワーが一定不変であるなど実験条件のコントロールが必須となる。また,精確な共鳴曲線を描くためには,山の麓に相当する信号強度が弱い周波数でのデータも欠かせず,必ずしも効率的ではなかった。

研究グループでは,遷移の信号強度が時間とともに振動することに注目。これは原子と電磁波との相互作用によるラビ振動として知られる現象で,電磁波の周波数が共鳴周波数に一致するか近ければ,信号は大きくゆっくりと振動するが,2つの周波数のずれ(離調)が大きければ,小さく速く小刻みに振動を繰り返す。

電磁波のパワーにも依存するが,パワーが強ければ信号は大きく速く,弱ければ小さくゆっくりになり,離調が変化した場合と組み合わせが異なる。この特徴を利用すれば,信号強度と振動の速さの組み合わせから,離調とパワーとを両方同時に求めることができる。つまり,パワーによらずに離調が分かるため,既知である電磁波の周波数との差し引きで共鳴周波数が決定できるという。

電磁波の周波数をさまざまに変化させながら信号強度の変化を観測する必要があった標準的な分光法とは違い,たった1つの周波数に固定する代わりに,応答信号の時間情報を利用することがポイントとなる。周波数領域で探査せず,時間領域の情報を生かした分光法だとする。

共鳴中心近傍の周波数に固定することで,標準的な分光法に比べて精度を2倍に向上できることもわかった。研究では,理論的シミュレーションでその原理の有効性を確かめたあと,実際の原子で実験して新しい分光法として確立し,これをラビ振動分光と名付けた。

これまでラビ振動の速さから逆に共鳴周波数を求めようとした研究はほとんどなく,いわば逆転の発想だという。ラビ振動分光法は従来の分光法より精度が高く,特に短寿命の不安定な素粒子や原子核を含む原子に効果的。今回の実験ではこの分光法を,水素に似たミュオニウム原子に適用して,その超微細構造をマイクロ波で精密に測定することに成功した。

研究所グループはこの成果により,素粒子ミュオン(ミュー粒子)の質量を高精度で決定して,量子電磁力学(QED)をはじめとする素粒子物理学の標準模型を検証することができるとしている。

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