Research Projects -
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Precition test and search for new physics beyond the Standard Model by precise laser spectroscopy of purely leptonic atoms
Grant number：24H00023 2024.04 - 2029.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
植竹 智, 下村 浩一郎, 山崎 高幸, 田中 実
Grant amount：\203970000 （ Direct expense: \156900000 、 Indirect expense：\47070000 ）
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冷却極性分子の量子操作による電子の永久電気双極子モーメント探索
Grant number：20KK0068 2020.10 - 2026.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B)) 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
増田 孝彦, 吉村 浩司, 植竹 智
Grant amount：\18720000 （ Direct expense: \14400000 、 Indirect expense：\4320000 ）
ThO分子を用いた電子双極子能率の高感度探索のための光検出モジュールとして、silicon photomultiplierを用いたモジュールの開発を進めている。本年度は特に、光クロストークの抑制法について中心的に研究開発を進めた。本研究以外でもSilicon photomultiplierは光クロストークが問題になることがあるが、本研究においては、最も重要な光子数分解能に悪影響を与えること、背景光を抑制するための干渉型波長選択フィルタによって劇的に増えてしまうことから、特別な対策が必要となった。
光クロストークの抑制に吸収型波長選択フィルタの導入が効果的であることがわかったため、さまざまなフィルタを比較することで系統的に調べ、最適なフィルタを選定した。本結果をまとめたものを原著論文として投稿中である。
そのほか、25mmという比較的大面積のセンサをー２０度まで冷却して使用することを踏まえ、安定して冷却するための設計開発を進めた。主に冷却に使用する電子冷却器や熱伝導グリーズの選定などである。冷却試験においては実際に光を入射する事でsilicon photomultiplierの発熱も模擬し、本実験で期待される光量が入射しても温度上昇による悪影響はないことが確認され、冷却部の設計はほぼ固まった。一方で、電子冷却器の制御に用いるコントローラからのAD変換に伴うノイズが予想よりも大きく、改善が必要である。
読み出し部のアンプは基礎設計、試作が完了したところである。来年度にノイズ、リニアリティ等の評価を行う。 -
Grant number：19H05606 2019.06 - 2024.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S) Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
植竹 智, 山崎 高幸, 下村 浩一郎, 吉田 光宏, 吉村 太彦
Grant amount：\200590000 （ Direct expense: \154300000 、 Indirect expense：\46290000 ）
ミューオニウムの精密レーザー分光に必要な(1)ミューオニウム生成標的，(2)狭線幅・高出力244nmレーザーシステム，(3)2S励起ミューオニウム検出システムの独自開発・改良を進めた．ミューオニウム生成標的開発では，レーザー加工を施したシリカエアロゲルの形状最適化を進め，長時間安定に高効率のミューオニウム生成が可能な標的の開発に成功した．狭線幅・高出力レーザーシステム開発では，出力30mW程度の狭線幅マスターレーザーを数段の光パワーアンプで増幅する方式を採用した連続波発振(CW)レーザーシステムの開発，アンプしたCW光をパルス増幅するTi:Sapphireパルスレーザーシステムの開発，マスターレーザーの光周波数計測および周波数安定化を行うエルビウムドープ光ファイバーコムシステム開発，ファイバーコムへマスターレーザー周波数を位相同期させる光位相同期システム開発，などを進めた．CW光パワーアンプの出力は目標とする5W以上を達成した．Ti:Sapphireパルスレーザーシステムでは9mJと言う高いパルスエネルギーを得られている．出力光の周波数線幅はほぼフーリエ限界の約5MHzであり，過去の研究で用いられたレーザーよりも狭線幅を実現した．ファイバー光コムシステムは1ヶ月以上にわたり安定してコム発振が可能であることを確認しており，長時間の連続運転が必要なレーザー分光実験で問題なく使えることを示した．2S励起ミューオニウム検出システムでは，真空装置のアライメント微調整を進めることで，従来よりも33%検出効率を向上することに成功した．
また，ミューオニウム基底状態の超微細分裂マイクロ波分光実験では，J-PARCの大強度パルスミュー粒子ビームを用いたゼロ磁場での分光実験およびデータ解析を進めた．並行して数テスラの磁場を印加可能な超伝導電磁石や，大強度ミュー粒子ビームに対応した高レート耐性検出器の独自開発を進めた． -
純レプトン原子のレーザー分光による電弱統一理論精密検証と新物理探索
Grant number：19H00687 2019.04 - 2020.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A) 基盤研究(A)
植竹 智, 山崎 高幸, 下村 浩一郎, 吉村 太彦
Grant amount：\45760000 （ Direct expense: \35200000 、 Indirect expense：\10560000 ）
本研究は，レプトンのみからなる水素様純レプトン原子(ミューオニウム: Mu)の精密分光により，電弱統一理論の精密検証および新物理の探索へ向けた開発研究を行う．低エネルギー領域(O(1eV))の精密計測技術を駆使して電弱スケール(O(0.1～1TeV))の新物理を探索することを長期目標に据え，そのための第1ステップとして重要な，(1) Muの1S-2S間遷移周波数の精密二光子レーザー分光を3年間で遂行し，実験精度を先行研究より3桁向上させることが目標である．これにより，基礎物理定数であるミュー粒子質量の決定精度をCODATA2014推奨値より20倍向上させることを目指す．また，(2) 荷電束縛系のエネルギー準位に電弱効果が及ぼす影響を，摂動2次の項まで取り入れた高精度理論計算を行う．
平成31年度(令和元年度)は研究準備のため，実験に必要な装置の購入を進めた．また，限られたービームタイムを有効利用し精度の高い結果を出すためには，ミューオニウムのレーザー分光システム開発を加速器運転と独立に進められることが望ましい．このため，水素原子を用いた1S-2S二光子レーザー分光装置の開発に着手した．ミューオニウムは水素原子の同位体と見なすことができ，エネルギー準位などの構造はほぼ同じである．ミューオニウムの二光子レーザー分光に用いる検出器 (低速ミューオンビームライン) を使って水素原子の1S-2S二光子レーザー分光を行うことで，ミューオニウムのレーザー分光に必要な周辺機器や自動制御プログラムなどの開発を進める．水素原子の生成は，水素分子を2.45GHzマイクロ波共振器を用いた放電チューブに通すことで得る．すでに水素原子発生に成功し，既設の色素レーザーを用いた1S-2S二光子レーザー分光に成功した． -
アト秒ナノメートル領域の時空間光制御に基づく冷却原子量子シミュレータの開発と量子計算への応用
Grant number：JPMXS0118069021 2018.12 - 2028.03
文部科学省 光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）
Authorship：Coinvestigator(s)
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Grant number：16813691 2016 - 2019
戦略的な研究開発の推進 戦略的創造研究推進事業 さきがけ
植竹 智
本研究では、光と原子集団のコヒーレント相互作用を究極的に制御することで、弱い相互作用を含む電弱過程の人為操作を可能とする新技術開発の基礎を固めます。研究期間中の目標は、非常に微弱なQED過程-磁気双極子放射や電気四重極放射、そしてそれらを含む多光子放射過程-の発生レートを大幅に増幅し観測することで、新技術の原理実証を行います。
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Grant number：15H03660 2015.04 - 2018.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Uetake Satoshi
Grant amount：\17420000 （ Direct expense: \13400000 、 Indirect expense：\4020000 ）
Radiative emission of neutrino pair (RENP) from atoms or molecules has been considered a novel tool to determine the yet unknown neutrino parameters. In order for a future RENP experiment, (1) we proceeded detail study of macro-coherent amplification mechanism for developing an experimental method to control higher order process of quantum electrodynamics such as two-photon paired superradiance or multiphoton emission; (2) search the best target that has high-density and long coherence time for RENP process. We have succeeded to enhance the emission rate to 18 orders of magnitude in the two-photon emission process by optimizing the experimental parameters. Also we have observed automatic development of coherence in the solid parahydrogen crystal. The coherence seems to increase 10 times longer time duration than the input pulse duration. We developed the excitation laser for Xe gas, which is a suitable candidate for the RENP experiment.
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Controlling of two-photon transition rate towards two-photon laser oscillation
Grant number：24654132 2012.04 - 2015.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
UETAKE Satoshi
Grant amount：\4030000 （ Direct expense: \3100000 、 Indirect expense：\930000 ）
In this research project, we investigate a way to enhance the two-photon emission rate by using atomic/molecular coherence. Two-photon lasing is difficult because the two-photon emission rate is very small in general. Thus a high two-photon emission rate is required in order to realize the "two-photon laser". In this research, we succeeded to observe the two-photon emission from vibrationally excited state of para hydrogen gas, whose density of 10 to the 20th per cubic centimeters. The spontaneous two-photon emission from vibrationally excited state of para-hydrogen is almost impossible because the emission rate is very small. Thus the observation of two-photon emission means that we succeeded to obtain a high rate enhancement. The enhancement factor is estimated to be 10 to the 18th. These results play an important role for future realization of a two-photon laser.
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Detection of neutrino pairs using macro coherent amplification mechanism
Grant number：21104002 2009.04 - 2015.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area) Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
SASAO NOBORU, NAKANO Itsuo, YOSHIMURA Motohiko, FUKUMI Atsushi, WAKABAYASHI Tomonari, TANAKA Minoru, KATSURAGAWA Masayuki, NANJO Hajime, KAWAGUCHI Kentarou, TANG Jian, KUBOZONO Yoshihiro, TANIGAKI Katsumi, NAKAJIMA Kyo, YOSHIMURA Koji, YOSHIMI Akihiro, UETAKE Satoshi, KUMA Susumu, TANIGUCHI Takashi
Grant amount：\411840000 （ Direct expense: \316800000 、 Indirect expense：\95040000 ）
"Macro-coherent amplification mechanism" is the crucial principle for success of the neutrino mass spectroscopy with atoms. The most important result of the present research was an experimental proof of the principle with a two photon process from the vibrationally excited state of para-hydrogen molecules. Actually, the initial coherent states were prepared by an adiabatic Raman process, and two photon emissions were observed. As a result, a gigantic enhancement factor of the photon yields greater than 15 orders of magnitude was confirmed compared to its natural emission rate; it was found consistent with the theoretical prediction. Thus a big step has been made forward towards the neutrino mass spectroscopy with atoms. In addition, detailed studies on super-radiance and phase relaxation etc. were conducted as basic studies using various atoms and molecules.