ポジトロニウムのレーザー冷却の実証と量子縮退状態への到達

激光冷却正电子素并达到量子简并态的演示

• 批准号: 22KJ0637
• 负责人: 田島 陽平
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0637/
• 关键词: ポジトロニウム; レーザー冷却; 反物質; ボース・アインシュタイン凝縮; レーザー分光

昨年度までに、レーザー冷却のために構築した高速チャープレーザーパルス光源を真空中のポジトロニウム集団に照射し、速度変化をとらえるための実験を実施した。また、その際に問題となる系統誤差を徹底的に低減するための研究を進めてきた。本年度では、ポジトロニウム(Ps)におけるレーザー冷却効果を確固たるものと示すために、冷却による速度分布の変化をより緻密に捉えることを目指した。その際に課題となったのは信号量の小ささであった。従来ではある速度をもつPsの個数を測定する場合、対応する周波数をもつレーザーによってPsを励起したのち電離させ、生じた電離陽電子の対消滅時に発生するガンマ線を観測することで間接的に調べていた。しかしながらこの手法は、ガンマ線の発生位置と検出器の位置で決まる立体角によって検出効率が制限されており、その効率は約1%であった。そのため、速度分布を精緻に捉えるために速度分布測定用のレーザーの線幅を狭めた場合、信号量が減少し、加速器施設から与えられた実験期間では期待される信号量の変化が有意に観測できるほどの統計量を確保できない問題があった。そこで新たにMCPを用いて電離陽電子を直接的に観測する手法を導入した。真空チャンバー内に設置したMCPの表面を適切な負の電位にすることで、電離陽電子を収集し、MCPで生じた電流を信号として検出した。実験から、従来の方法から桁違いに高い電離陽電子の検出効率を達成したと考えられる結果を得ることができた。これによって高分解能な速度分布の変化を測定することが現実的な時間内に十分可能となった。さらに、Psの微細構造や冷却レーザーの時間構造・周波数構造を忠実に取り入れた冷却シミュレーションの開発も完了し、実験と対応付けられる数値計算が可能となった。以上によって、レーザー冷却実験におけるPsの速度分布の変化を緻密に捉える準備を整えることができた。

直到去年，我们进行了一项实验，用专为激光冷却而设计的高速啁啾激光脉冲光源照射真空中的正电子素群，并检测速度变化。此外，我们一直在进行研究以彻底减少系统误差，这可能是这样做的一个问题。今年，为了切实证明激光对正电子素（Ps）的冷却效果，我们的目标是更精确地了解冷却导致的速度分布变化。当时的问题是信号量小。传统上，当测量一定速度的Ps数量时，通过用相应频率的激光激发Ps，将其电离，并观察所产生的电离正电子Ta湮灭时产生的伽马射线来间接研究。但该方法的探测效率受到伽马射线产生位置与探测器位置所确定的立体角的限制，效率约为1%。因此，当为了精确地捕获速度分布而将用于速度分布测量的激光器的线宽变窄时，信号量减少，并且在加速器设施给出的实验期间没有显着观察到信号量的预期变化。存在一个问题，即无法获得足够的统计数据。因此，我们引入了一种利用MCP直接观察电离正电子的新方法。通过将放置在真空室中的MCP表面设置为适当的负电位，收集电离的正电子，并将MCP中产生的电流作为信号进行检测。该实验的结果被认为比传统方法实现了高一个数量级的电离正电子检测效率。这使得在实际时间内以高分辨率测量速度分布的变化成为可能。此外，我们还完成了冷却模拟的开发，该模拟忠实地结合了Ps的微观结构以及冷却激光的时间和频率结构，使得执行与实验相关的数值计算成为可能。通过上述步骤，我们能够精确捕获激光冷却实验中 Ps 速度分布的变化。

项目成果

Development of a deep-ultraviolet chirped pulse laser for doppler cooling of positronium

开发用于正电子素多普勒冷却的深紫外啁啾脉冲激光器

• 发表时间: 2022
• 作者: Y. Tajima;K. Yamada;T. Kobayashi;A. Ishida;T. Namba;S. Asai;E. Chae;K. Shu;and K. Yoshioka
• 通讯作者: and K. Yoshioka

Development of a chirped pulse laser for cooling positronium

开发用于冷却正电子素的啁啾脉冲激光器

• 发表时间: 2021
• 作者: Y. Tajima;K. Yamada;T. Kobayashi;R. Uozumi;A. Ishida;T. Namba;S. Asai; M. Kuwata-Gonokami;K. Shu;E. Chae;K. Yoshioka;N. Oshima;B.E. O’Rourke; K. Michishio;K. Ito;K. Kumagai;R. Suzuki;S. Fujino;T. Hyodo;I. Mochizuki; K. Wada and T. Kai
• 通讯作者: K. Wada and T. Kai

ポジトロニウムのレーザー冷却の実証実験

正电子素激光冷却演示实验

• 发表时间: 2022
• 作者: 田島陽平;山田恭平;魚住亮介;石田明;難波俊雄;Randall W. Gladen;浅井祥仁;五神真;大島永康;オロークブライアン;満汐孝治;伊藤賢志;鈴木良一;兵頭俊夫;望月出海;和田健;蔡恩美;周健治;吉岡孝高
• 通讯作者: 吉岡孝高

Developing a high-resolution Doppler broadening spectroscopy for cold positronium

开发冷正电子素的高分辨率多普勒展宽光谱

• 发表时间: 2022
• 作者: R. Uozumi;Y. Tajima;T. Kobayashi;K. Shu;and K. Yoshioka
• 通讯作者: and K. Yoshioka

ポジトロニウムのレーザー冷却実証に向けたドップラー分光法の開拓

开发用于演示正电子束激光冷却的多普勒光谱

• 发表时间: 2022
• 作者: 小林拓豊;田島陽平;魚住亮介;蔡恩美;石田明;難波俊雄;浅井祥仁;五神真;大島永康;オロークブライアン;満汐孝治;伊藤賢志;鈴木良一;兵頭俊夫;望月出海;和田健;周健治;吉岡孝高
• 通讯作者: 吉岡孝高