研究課題名:反水素原子の分光

1.研究課題名:

反水素原子の分光

2.研究期間:

平成15年度~平成19年度

3.研究代表者:

早野 龍五(東京大学大学院理学系研究科・教授)

4.研究代表者からの報告

(1)研究課題の目的及び意義

 1957年にパリティー(P)不変性と荷電共役(C)不変性の破れが、1964年にCPの破れが発見されているが、C,Pに加えて更に時間反転(T)も同時に行なえば物理法則は不変に保たれることが1955年に証明されているため(CPT定理)、CPTM対称性の実験的検証はこれまであまり重視されなかった。しかし最近になってCPT対称性が破れる可能性が論じられるようになり、CPT対称性を可能な限り高精度で検証する事が重要となった。
 CPT対称性が成り立てば、粒子と反粒子の質量は等しい。そこで、陽子と反陽子の質量や、水素原子と反水素原子スペクトルの精密比較によるCPT対称性の検証が注目されている。
 我々は3年前に反水素原子の大量生成に成功し、反水素原子分光によるCPT対称性検証への道を拓いた。また、我々が約10年前に発見した反陽子ヘリウム原子(反陽子+電子+ヘリウム原子核からなる準安定な三体系)のレーザー分光による反陽子質量決定精度は、1999年に500ppb、2001年に60ppb、そして2003年に10ppb(ppbは10億分の1)と着実に向上し、バリオンにおけるCPT検証の最高記録を更新し続けている。
 本研究では、CERN研究所(ジュネーブ)の反陽子減速器にて反水素原子を大量に生成し、反水素原子のレーザー分光/マイクロ波分光を行うこと、及び、反陽子ヘリウム原子の分光精度を更に高め、CPT対称性を最高精度で検証することを目標とする。

(2)研究の進展状況及び成果の概要

 反陽子ヘリウム原子に関しては以下の進展があった。

1.線形減速器で減速した反陽子を超低密度のヘリウム標的に打ち込んで反陽子ヘリウム原子を作り、これをレーザーでイオン化する手法によって、反陽子ヘリウムイオン(二体系)の準安定化に成功した。現在、イオンのレーザー分光を行うのに必要な紫外線レーザーの開発を推進している。

2.狭線幅のCWレーザーを周波数コムにロックし、これをパルス増幅することによって、従来の約10倍の精度で反陽子ヘリウム原子をレーザー分光する事に成功した。解析が終了すれば、反陽子質量決定精度が現在の10ppbから1ppbにまで向上する見込みである。今後、更に精度を上げ、陽子質量の精度(0.5ppb)を凌駕する事を目指している。また反水素原子に関しては以下の進展があった。

3.反水素生成条件の最適化を行い、生成率300Hzを達成した。

4.更に反水素生成過程を詳細に研究したところ、ほとんどの反水素が反陽子と陽電子が熱平衡に達する以前に生成され、その温度が150K以上とかなり高温であること、三体過程(反陽子が陽電子二個と衝突して反水素が生成される)が支配的で、多くの反水素が高励起状態に生成されていると考えられる事、がわかった。分光を行うためには、温度1K以下の反水素を基底状態に作らねばならず、更なる最適化が必要である。

5.反水素原子のレーザー分光に向けて超伝導八重極磁石を用いた新たな反水素生成・閉じ込め装置を、また、反水素原子の基底状態超微細構造のマイクロ波分光に向けて超伝導高周波トラップを用いた反水素ビーム発生装置の開発・建設を行っている。

5.審査部会における所見

A(現行のまま推進すればよい)
 CPT対称性の検証となる反陽子ヘリウム原子の高精度分光による反陽子質量の測定や準安定反陽子ヘリウムイオンの発見など、世界をリードする研究成果が上がっている。CERNのLHC工事による実験の中断はあるものの、研究は着実かつ順調に進展している。なお、研究課題名である反水素原子の分光そのものについては今後の進展が待たれるものであり、現状での課題(具体的には基底状態で、かつ、十分に低温な反水素生成法の開拓)のできるだけ早急な解決と、それによるCPT検証の目覚ましい成果を期待する。

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研究振興局学術研究助成課

-- 登録:平成23年03月 --