GBAR ビームラインでの研究

私たちは、この反水素原子ビームに含まれる 2S 状態の反水素原子にマイクロ波を照射 して反水素原子のラムシフトを測定します。図に示すように、反水素ビームが左から来 る場合を考えます。右手にある RF 脱励起装置で強電場をかけておきます。2S 状態の 反水素原子があれば、この電場によって 2P 状態とまざりますが、2P 状態は 1.6ns の 短寿命準位であり、すぐに基底状態 (1S 状態)へ落ちます。このとき、ライマンα光と して知られる真空紫外光を出します。このライマンα光を検出することで 2S 状態の存 在を知ることができます。 この手前にマイクロ波照射装置を置き、 2S_1/2‐2P_1/2 ラムシフトに相当するマイクロ波をかけます。 マイクロ波の周波数があっていれば 2S 状態にある反水素原子は 2P 状態に遷移します。 2P 状態は、直ちに基底状態へ落ちるため、その後ろにある検出器ではライマンα光が見えなくなります。これは Lamb と Retherford がラムシフトを見付けた実験と同様の手法となっています。

GBAR 実験において数 keV の反水素原子ビームが得られるため、それを有効利用する格 好で反水素原子のラムシフト分光を行います。現在、マイクロ波分光装置やライマンα 光検出器などが開発され、分光の準備が整ってきています。2018 年には水素原子での テストでラムシフト遷移がみられ、2021 年には水素原子でスペクトルも得られていま す。

反水素原子の重力加速度

GBAR の本体の実験では、上述の反陽子ビームとポジトロニウム雲の衝突で生成される反水素イオンを使います。生成された反水素イオンを RF トラップに導入し、そこで Be⁺ イオンによる共同冷却で冷やします。GBAR では二段階の冷却過程によって 10μK 程度にまで冷します。1.64 μm のレーザーで陽電子を一つはがして自由落下させます。真空槽全体を覆う Micromegas 検出器で落下した反水素原子の消滅時刻と位置を追跡し、重力加速度を求めます。

現在、トラップと自由落下実験槽を除く、ドリフトチューブ減速器、電子線形加速器、陽電子バッファーガス冷却装置、陽電子蓄積トラップが開発されており、2022 年にはこれらを使ってポジトロニム標的に反陽子ビームを打ち込み中性反水素原子ビームの生成実験に取り組み、反水素原子の事象を選び出す解析を進めています。その現状について、CERN の広報で紹介されています。 また、平行してマイクロ波分光装置の設計と開発を行っています。