Precise determination of the muon mass by high-precision Rabi-oscillation spectroscopy of the hyperfine structure of muonium atoms

利用μ原子超精细结构的高精度拉比振荡光谱精确测定μ子质量

基本信息

批准号：
21H04463
负责人：
鳥居寛之
金额：
$ 27.29万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は正電荷ミュオンと電子のクーロン束縛系であるミュオニウム原子について、基底状態の超微細構造をマイクロ波によるRabi振動分光を駆使して世界最高の 2 ppb の精度で分光し、ミュオンの磁気モーメントおよび質量を決定することを目指している。強磁場環境での測定では 1.7 T の静磁場中でのゼーマン分裂を利用する。すなわち、遷移周波数が磁場に依存するため、この静磁場の不均一性および時間変動、絶対値校正が系統的不確かさの主要な要因となる。最終的に目標とする測定精度を達成するためには、クリプトンガス中で生成するミュオニウムが分布するラグビーボール大の空間全体にわたって、±0.1 ppm の磁場均一度と絶対値の精度で 10 ppb を達成する必要があり、そのための高精度磁場測定器の開発を進めた。この測定器は空間分布測定用、絶対値校正用、時間変動測定用の三つの装置から構成される。空間分布用測定器は半月状に配置した 24 個の NMR プローブとその回転機構からなる。半月を回転させることで楕円体面上の磁場分布を測定する。当該年度の研究により、プローブ単体の開発を終え、空間分布測定器の多チャンネルシステムの動作試験を繰り返して改良した結果、多チャンネル化に伴うチャンネル間のクロストークを十分に低減できるようになった。1.7 T の磁場の均一度はこれまでに直径 200 mm、長さ 300 mm の回転楕円体の領域に対して，0.2 ppm 以下という性能を達成している。また、絶対値校正用の測定器については、米国のグループとも共同で開発を進め、これまでに 18 ppb の絶対精度を達成した。

在这项研究中，我们利用微波拉比振动光谱分析了μ原子基态的超精细结构，μ原子是带正电的μ子和电子的库仑束缚系统，精度达到世界最高的2 ppb，并确定了μ 子的磁矩，旨在确定质量。对于强磁场环境下的测量，采用1.7T静磁场中的塞曼分裂。也就是说，由于过渡频率取决于磁场，因此该静磁场的不均匀性和时间波动以及绝对值校准是系统不确定性的主要因素。为了最终达到所需的测量精度，必须将氪气中产生的锷分布在橄榄球大小的空间中，磁场均匀度为±0.1 ppm，绝对精度为10 ppb。为此，我们着手开发高精度磁场测量仪器。该测量仪器由三部分组成：一套用于空间分布测量，一套用于绝对值校准，一套用于时间变化测量。空间分布测量仪由24个半月形排列的核磁共振探头及其旋转机构组成。通过旋转半月来测量椭球表面的磁场分布。本财年的研究成果是，我们完成了探头本身的开发，并对空间分布测量仪的多通道系统进行了反复的操作测试，以对其进行改进，从而充分减少了空间分布。伴随通道数量的增加，通道之间的串扰。迄今为止，对于直径为 200 mm、长度为 300 mm 的球体区域，1.7 T 磁场的均匀性已达到小于 0.2 ppm。此外，我们正在与美国的一个团队合作开发一种用于绝对值校准的测量仪器，目前已经实现了18 ppb的绝对精度。

项目成果

期刊论文数量（18）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

New beamlines and future prospects of the J-PARC muon facility

J-PARC μ子设施的新光束线和未来前景

DOI：
10.1051/epjconf/202328201016
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yamazaki T.;Kawamura ; N.;Shimomura K.;Miyake Y.;Oishi Y.;Adachi T.;Strasser P.;Koda A.;Fujimori H.;Yuasa T.;Ikedo Y.;Kobayashi Y.;Sasaki K.;Mibe T.;Ushizawa T.;Higashino Y.;Nagao D.;Aoki M.;Hase K.;Kaneko S.;Tagawa R.;Uematsu T.;Seiya Y.;Uetake S.;Masuda
通讯作者：
Masuda

Development of Magnetic Field Mapping System for the MuSEUM Experiment With High Precision Using CW-NMR Probes

使用 CW-NMR 探针开发高精度 MuSEUM 实验磁场测绘系统

DOI：
10.1109/tasc.2022.3190264
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
1.8
作者：
Tada Hiroki;Yoshizu Fumihiro;Oyama Shun;Tanaka Toya;Sasaki Ken;Shimomura Koichiro
通讯作者：
Shimomura Koichiro

New precise spectroscopy of the hyperfine structure in muonium with a high-intensity pulsed muon beam

利用高强度脉冲μ介子束对μ介子超精细结构进行新的精确光谱分析