研究内容紹介

相対論的重イオン,低速多価イオン,反陽子 ( p ),ミュオン等の普通にはないような風変りな(エキゾチックな)粒子線と物質(気体,薄膜,結晶等)の原子衝突素過程の研究,また,それらエキゾチックな粒子で構成される反水素原子 ( H )と言った反物質,物質と反物質から構成される反陽子原子の研究を行なっている. 放射線医学総合研究所の重イオンシンクロトロン (HIMAC),理化学研究所の低速多価イオン源,リニアック,リングサイクロトロン,CERN (セルン,欧州原子核研究機構 Organisation européenne pour la recherche nucléaire,スイス)の反陽子減速器 (AD),GSI(重イオン研究所 Gesellschaft für Schwerionenforschung,ドイツ)などで実験を行っている.現在,進行中の主要な研究テーマは,以下の通り.

CERN

反水素,低速反陽子実験
スイス・ジュネーブの CERN・AD で実験

反粒子とは,通常の粒子と質量は同じですが,電磁的な性質の符号が逆で,粒子と反粒子は対で消滅します.私たちは,以下のような反粒子を用いて研究を進めています.

  • 反陽子:陽子の反粒子です.陽子と質量は同じとされますが,反対の負電荷を持ちます.加速器で生成します.
  • 陽電子:電子の反粒子です.電子と質量は同じとされますが,反対の正電荷を持ちます.加速器や,放射性同位元素から得られます.
  • 反水素原子:通常の陽子と電子からなる水素原子と違って,反陽子と陽電子(電子の反粒子)からなる原子です.反陽子と陽電子を数Kの低温のトラップ中で混ぜ合わせることで合成できます.

ASACUSA

ASACUSA (アサクサ) の一部として MUSASHI というサブグループを構成し,主に以下の反粒子を使った実験を進めています.

超低速の反陽子は,反物質研究を進める上で極めて重要なツールとなります.我々は,電磁トラップへの反陽子の捕捉と数K程度までの冷却法を開発するとともに,これまでより数桁低いエネルギー数百 eV 程度の反陽子ビームとして取り出す装置 MUSASHI (ムサシ)を開発してきました.これを用いて反水素原子の生成過程を研究するとともに,反水素原子の分光を通じて我々の宇宙が CPT 対称か否かを実験的に迫ろうとしています.現在,そのためのカスプトラップの開発を進めています.2010 年の反水素原子合成に成功に続き,2014 年には反水素原子ビームの生成の成功を報告しました.今後は,マイクロ波分光へと歩を進めていく予定です.
これと同時に,数十から数百eV の反陽子ビームとヘリウムなどの超音速ガスジェット標的を交叉させ,超低速反陽子の関与する原子衝突過程(イオン化及び反陽子原子生成)も研究しています.

解説記事へのリンク

BASE

反陽子の磁気モーメントの精密測定実験.

低速ミュオン,ミュオニウム原子実験

ミュオニウム原子の超微細構造分光

水素原子や反水素原子と違い,正ミュオンと電子という純粋にレプトンだけで構成されるミュオニウム原子は,量子電気力学 (QED) によって厳密な計算が比較的容易です.私たちはミュオニウム原子の超微細構造を精密に測定して理論と比較することで,QED の精密検証や,新粒子探索等を進めようと考えています.
実験は,世界最高強度のミュオンビームを供給できる J-PARC で行なっています.

偏極低速ミューオンビームの生成

ミュオニウム原子をレーザー共鳴イオン化することによって,これまでの 1000 から 10 万分の 1 の運動エネルギーしか持たない偏極低速ミュオンビームを生成する手法を開発しました.このビームを用いて多層膜などの低次元物質系の磁性研究を進めると共に,さらなる生成効率の向上を目指して開発を続けています.

TRAP

低速多価イオンと物質の相互作用の研究
電子をほとんどはぎ取られたイオンが物質に出会うと何が起こるのか?
理化学研究所で実験

多価イオンは極めて大きい内部エネルギー(例えばウランの電子がすべてはがれたU+92の場合は0.75MeV,つまり電子の静止質量の約1.5倍)を持ちます.このエネルギーが他の物質に解放されるときにどのようなことが起こるのかはまだよく理解されておらず,興味ある研究対象です.我々は,固体表面を主な対象として研究を行っています.現在,高温超伝導体を用いた電子ビーム多価イオン源を用い,表面原子分子の電離脱離現象やナノドット,ナノクレーター生成過程の研究を進めています.さらに,多価イオンによる絶縁体の自己組織化帯電現象によるナノビーム生成,ナノ構造研究,ナノビームによる生細胞内小器官の組織選択的照射実験を進めています.他にも超低速多価イオンを生成するため電子プラズマと陽電子プラズマを組み合わせた冷却法を開発し,超高真空中での電子プラズマ蓄積過程を明らかにしました.

HIMAC

コヒーレント共鳴励起
相対論的速度の高速イオンビームと結晶を用いた研究.
放射線医学総合研究所やドイツの GSI で実験

高速のイオンが結晶を通り抜けると結晶場から周期的相互作用を受け X線領域の疑似レーザーを受けているのと同じ状態になります. この周期的摂動に伴う疑似光子を用いて多価イオンの分光実験を進め,high-Z QED 効果や超微細構造を高い精度で決定することを目指しています.さらに短寿命不安定核の核構造研究への応用研究を計画しています.現在,ドイツの GSI 研究所においてウランなど重元素のリチウム様多価イオンを用いた高分解能実験の準備を進めています.


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