ポジトロニウム超微細構造の 直接測定

1. ポジトロニウム超微細構造の直接測定 2011.1.25. 修士学位論文審査会 宮崎彬

2. 目次 • イントロダクション＆モチベーション • ポジトロニウムとその超微細構造 • 超微細構造間の直接測定 • 光学系 • ジャイロトロン • ビーム伝送系 • Fabry-Pérot Cavity • 放射線検出器系 • イベントセレクション • 解析結果 • 超微細構造測定の予定

3. e- e+ e- e+ p-Ps ポジトロニウム（o-Ps, p-Ps） • 　オルソポジトロニウム（o-Ps） スピン３重項 光子と同じ量子数 o-Ps→3g (, 5g, …) 長寿命142nsec 連続的なエネルギースペクトル o-Ps • 　パラポジトロニウム（p-Ps） スピン1重項 スカラー粒子 p-Ps →2g (, 4g, …) 短寿命0.125nsec 511keVのγ線2本をback-to-backに放出

4. e- e- e+ e+ ポジトロニウム超微細構造（Ps-HFS） • 　スピン・スピン相互作用によって生じる、基底状態のp-Psとo-Psのエネルギー準位差 203GHz = 0.84meV （c.f. 水素原子では1.4GHz） • Psは質量が小さいため, 相互作用が大きい • o-Psは光子と同じ量子数. 量子振動の寄与が87GHz o-Ps o-Ps o-Ps Ps-HFS γ* 2me p-Ps

5. 3.9σ のずれ 実験値 203.388 65(67) GHz (3.3 ppm) 理論計算値 O(a3) QED 203.391 69(41) GHz (2.0 ppm) 独立した２つの実験値が一様にずれている 3.9s (15 ppm) のずれ • 過去の実験は磁場によるZeeman効果を用いて間接測定 直接測定によって検証を行うことが最終目標

6. Ps-HFSの直接測定 エネルギー準位 • 203GHzの光を照射し, o-Ps→p-Psに直接（M1）誘導遷移させる • 磁場による不定性が存在しない • ミリ波領域における初のM1遷移測定 o-Ps （寿命142nsで3g崩壊） 203GHz e+ e- M1誘導遷移 p-Ps （寿命0.125nsで2g崩壊） e+ e-

7. 難しい理由 • o-Ps→p-Ps遷移確率（3.37x10-8 /sec）は、o-Ps→3g崩壊確率（7x106 /sec）に比べて14桁も小さい. • これはこの遷移がM1遷移(E1禁制)であり, かつPs-HFSの値が極めて大きい（203GHz = 0.84meV）ため 10kWの光を照射したときに期待される遷移曲線 → 遷移曲線を測定するのに十分な量の遷移を起こすには, 10kW程度(達成)で200-207GHzの範囲で周波数可変(開発中)なsub-THz光源が必要. まずは直接遷移を観測することが第一目標 理論計算

8. 実験セットアップ ビーム伝送系 M1 M2 22Na β+ 線源& β+ 検出器 Psはガス中で生成される e+ e- 放物ミラー b+ g 導波管 Ps M3 g γ線検出器 ジャイロトロン 数100Wで周波数可変なsub-THz光源 Fabry-Pérot共振器 入力の100倍程度のパワーを共振器内に蓄積させる

9. 実際の写真

10. ジャイロトロン @ 福井大学 • Sub-THz領域で100W-kWレベルの出力が可能な唯一の光源 • 今実験のために、まずは単色（周波数は約203GHz）で最大出力約600W, 比較的安定に約200W（duty 30%）の出力が可能なジャイロトロンを製作した（右写真）.下図はジャイロトロン出力パワーの空間プロファイル(TE03モード) ~ 2m 超伝導磁石 7.34T • Fabry-Pérot Cavityと効率よくカップルさせるために, ビーム変換が必要 10

11. ビーム伝送系 • 3つの放物面ミラーM0, M1, M2でビーム変換, 現在の効率1/3程度 • アパーチャー: ゴミ除去 • Fabry-Pérot Cavityと良くカップルするガウシアンビームに変換 ビーム M0 アパーチャー ガウシアンビーム ステップカット導波管 微調整用 レンズ

12. Fabry-Pérot共振器 (1) 銅球面ミラー 中央にφ0.6穴 金メッシュミラー R = 99.3%, T = 0.5% 共振 入射 50mm 線幅200µm 間隔160µm 厚さ1µm パイロエレクトリックディテクタで共振器透過パワーを測定. 共振器に入射するパワー, 共振器で反射するパワーは共振器前方(M3)で測定 ピエゾステージを用いて 共振器長をコントロールし, λ/2の整数倍に合わせる

13. Fabry-Pérot共振器 (2) 共振器で反射するパワー • 入射ビームのうち共振器と結合する割合（カップリング C ）は、共振器での反射が共振時に減少する割合からわかる 実測 • 共振の鋭さの指標（フィネス F）は共振幅Gと波長l=1.47mmから 共振器を透過するパワー 実測 • このときの入射パワーPinは72W。 • 蓄積パワーPintは近似的に以下の式 • で求まる • 共振幅G=1.1µm • kW

14. 検出器系全体像 プラスチックシンチレータ (プラシン) t 0.1 入射ビーム 22Na線源 1MBq 鉛コリメータ Fine Mesh PMT メッシュミラー LaBr3結晶 銅球面ミラー 100mm N2 0.9 atm + isobutane 0.1 atmガス

15. 実際の写真

16. シグナル (1) ビーム軸からの図 22Na e+ソース (1MBq) プラシン ライトガイド 鉛シールド e+ φ1.5inch x 2inch LaBr3(Ce) 結晶 φ1.5inch x 2inch LaBr3(Ce) 結晶 203GHz ビーム •ソースから放出された陽電子はプラシンを通過し, ガスで満たされたビーム領域で停止する •封入ガス -イソブタン 0.1atmとN20.9atmの混合気体 -イソブタンはクエンチャーである

17. シグナル (2) ビーム軸からの図 22Na e+ソース (1MBq) プラシン ライトガイド 鉛シールド e+ e- e+ φ1.5inch x 2inch LaBr3(Ce) 結晶 φ1.5inch x 2inch LaBr3(Ce) 結晶 o-Ps 203GHz ビーム •停止した陽電子の30%がガス中でポジトロニウムを生成する •そのうち75%がo-Psとなる

18. シグナル (3) ビーム軸からの図 22Na e+ソース (1MBq) プラシン ライトガイド 鉛シールド e+ e- e+ g 511keV g 511keV p-Ps 203GHz ビーム o-Ps: 寿命142ns p-Ps: 寿命125ps •共振器の203GHzビームによってo-Psはp-Psに遷移(〜3%) •p-Psはすぐに2g崩壊を起こす •back-to-backに配置したLaBr3(Ce)結晶でガンマ線を検出する

19. g線検出器 • LaBr3 (Ce) 結晶シンチレータ(直径1.5 inch, 長さ2 inch) • 高いエネルギー分解能 : FWHM=4%@511 keV • 速い減衰の時定数 : 16 ns 高統計の実験可能 • 高い時間分解能 : FWHM=200 ps@511 keV FWHM 4% @ 511 keV

20. b+タグ系 • プラシンの信号陽電子放出時刻 • LaBr3(Ce)の信号との差をとると, o-Ps生成イベント(+アクシデンタル)と陽電子の対消滅とを分けることが出来る プロンプト崩壊 Timing Window 適切にTiming Windowをとると S/Nが2桁以上良くなる

21. イベントセレクション • 直接遷移のシグナルは寿命を持った2光子崩壊 • 以下のイベントセレクションでエンハンスされる • back-to-backに511 keV ± 3s • Timing Window 40 ns – 320 ns (今回は100 nsまでノイズが乗っていたので150 nsから) • パイルアップレジェクション (1) (3) プラシン LaBr3 トリガー

22. 3つのバックグラウンド (BG) イベントセレクションで残るバックグラウンド • 3g崩壊のコンタミネーション • pick-off崩壊(o-Ps中e+が物質中e-と対消滅) • pileup ビーム軸からの図 e+ e- e+ g g g o-Ps •たまにo-Psの3g崩壊がback-to-backに入り, しかもLaBr3の分解能(FWHM 4%@511keV)の範囲内で511keVと誤認

23. 3つのバックグラウンド (BG) イベントセレクションで残るバックグラウンド • 3g崩壊のコンタミネーション • pick-off崩壊(o-Ps中e+が物質中e-と対消滅) • pileup ビーム軸からの図 e+ e- e+ o-Ps e+ g 511keV g 511keV o-Ps •イソブタン0.1atm混合ガス中のo-Psはpick-offによって6%が2g崩壊 •シグナルと同じトポロジーのバックグラウンド

24. 3つのバックグラウンド (BG) •鉛シールドでソース周りからのガンマ線の影響を防ぐ •この図では見えないがLaBr3側面も鉛で覆ってある イベントセレクションで残るバックグラウンド • 3g崩壊のコンタミネーション • pick-off崩壊(o-Ps中e+が物質中e-と対消滅) • pileup ビーム軸からの図 g 511keV g 511keV 鉛 t10 e+ g 511keV g 1275keV g 511keV •線源周りでの2g崩壊や線源からの1275keVのガンマ線がpileupとして寄与 (ガンマ線シグナルと同時にプラシンでtagされるものは除去されている)

25. シミュレーションによるBGスペクトラム •陽電子と1275 keVのg線をソース位置からシミュレーション •停止位置で3光子崩壊, 2光子崩壊させる •データと同じイベントセレクション •Ps生成効率や線源強度でスケール 3光子崩壊 パイルアップ pick-off崩壊 back-to-backの相手が511keV±3sの場合の各LaBr3シグナルの和

26. バックグラウンドデータとMCの比較 •Fabry-Pérot Cavityを共振点からずらした場合のデータとMCを比較 •511keVピークでMCの方が高くなっている パイルアップの間違い, pick-off確率の間違いの可能性

27. 共振時に期待される遷移 •Fabry-Pérot Cavityを共振させた場合のデータとMCを比較 •水色がMCで期待される遷移 •MCが合っていないし, 遷移量小さいので遷移の有無はわからない

28. 203 GHzのON-OFF (BGフリー) ジャイロトロンは duty比 30%, 5Hz ONとOFFの差は, 1.8±0.9 mHz 一方シミュレーションでの予想は2.6±1.6 mHzでコンシステント (予想とコンシステントに)直接遷移の観測は出来なかった

29. 遷移を見るための改良点 • Timing Windowを正しくとる (シグナルx 2.5) • ノイズ落とし • とりあえず, これで年度末まで走れば遷移見える • 線源をビームに近づける (x 2) • LaBr3結晶をビームに近づける (x 2) • ガス圧を上げて陽電子がビーム内で止まりやすくする. • etc…

30. Timing Window 40ns-320nsの場合 • 今回はノイズのせいでとれなかった(150-320ns) • 遷移確率2.5倍に増える • もし今回これが出来ていれば, 3sで見えていたはず 2g annihilation probability • 回路を改造しノイズ落とす • •100 nsまでのノイズ •  LaBr3のダブルパルスの影響 • TDCをfast clearにして対応 • 次回の実験ではTiming Windowがまともにとれるはず

31. Timing Windowを直したときに1ヶ月のRunで予想されるシグナル • シミュレーションに期待される統計量でエラーをつけた • ON-OFFは7mHzで見える • １ヶ月のRunで5sで直接遷移が観測出来る • 遷移確率は60%程度の精度で測定出来る(光学系の系統誤差50%, シミュレーションの系統誤差10%, 統計誤差20%) 改善可能 どこまでいけるかは不明

32. 直接測定実験の予定 現在 Timing Window改良後, 今年度中にsub-THz領域での初のM1遷移を観測する 2ndstep 開発中の周波数可変ジャイロトロンを用いて遷移曲線を観測し, Ps-HFSを直接測定 Ps-HFS直接測定には現在シグナルが小さすぎる 陽電子ビームなどで高統計, 低BGの実験の可能性 32

33. まとめ • ポジトロニウムの超微細構造には理論と実験で3.9sのずれが存在している • 203 GHz光学系の開発により, 超微細構造を直接測定することを目指している • 超微細構造間の直接遷移を見ることが第一目標である • 光学系の開発はほぼ終了し, データ取得システムの動作試験を完了した • 現在は直接遷移の観測には至っていないが, ノイズ対策により年度内に5sで観測し, 遷移確率を60%の精度で測定する目処が立った • 周波数可変ジャイロトロンの試験を次年度から開始し, 超微細構造の値を測定する予定である

34. backup

35. ポジトロニウム (Ps) 電子 陽電子 − + • 電子 e-と陽電子 e+が電磁相互作用により束縛された状態 • 最も軽い水素様「原子」 • 粒子と反粒子からなる系であり, 対消滅に伴なう未知の素粒子物理に対する感度が高い • レプトンのみからなる綺麗な系であるため, 束縛系QEDの精密検証に適している

36. 考えられるずれの原因 • 過去の実験に共通する系統誤差 • 理論計算の誤り • 標準理論を超える新たな物理の可能性 • 過去の実験は全て磁場に依存した間接測定 直接測定によって検証を行うことが最終目標

37. ジャイロトロン (2) 共鳴光 • 電子銃から出た電子が加速され、磁場中でサイクロトロン運動しながら共振器に入る. サイクロトロン運動の周波数 ωc = eB/mgが共振器の共振周波数 7.34 T 共振器 超伝導コイル とほぼ一致すると、サイクロトロン運動のエネルギーが周波数 ω = ω0 = ωc の電磁波のエネルギーに変換される（メーザー共振）. ジャイロトロン出力の空間プロファイルはこの共振モードで決まる円形導波管モード（m=0, n=3ならTE03モード） 電子 アノード 電子銃 カソード

38. ジャイロトロン • 我々が新たに開発している連続的に周波数可変なジャイロトロンは, reflective gyro-BWO（Backward -Wave Oscillator）と言うものである。このジャイロトロンでは、共振器の入り口で反射した後進波（Backward-Wave, BW）が電子と相互作用するため、共振条件が以下の式に変化する（βzが0でない） ω : 電磁波の周波数 ωc : 共振器の共振周波数 Ω : サイクロトロン周波数 βz : 電子の軸方向の速度 • よって、放出される電磁波の周波数を、印加する静磁場の強さを変えることで変化させることができる

39. Blue : Forward Wave Red : Backward Wave ジャイロトロン Gyrotron 電磁波 e- ハイパワー cavity e- Gyro-BWO 電磁波 周波数可変 Reflective gyro-BWO 電磁波 e- ハイパワー& 周波数可変 Backward Wave はキャビティーの入り口で反射される

40. ビーム伝送系 • ジャイロトロン出力は円形導波管TE03モード. • 一方, Fabry-Pérot共振器の内部モードはガウスビーム. • この２つのモードは全く異なっているため, 200Wのジャイロトロン出力をそのままFabry-Pérot共振器に入射しても共振器と結合しない TE03（遠方界、理論計算） ガウスビーム （理論計算） • →ガウスビームに変換するモードコンバータが必要

41. ビーム伝送系 (3) ステップカット導波管後 M１後 M0後 M2後 赤丸がアパーチャー レンズ後 アパーチャー後 Fabry-Pérot Cavity 内部モードと98%一致 アパーチャーで2/3のロス, レンズで10%のロス ジャイロトロン出力の1/3をFabry-Pérot Cavityへ入射

42. ガス • 陽電子を停止させ , Ps生成 • 必要条件 • 低速陽電子(バックグラウンド)の寿命が小さい • 203 GHzの共振を阻害しない • 今回の選択N2 + isobutaneの混合ガス • 停止した陽電子のうち, 30%がPsを生成 isobutaneの203GHzの吸収 N2 100%だと Psと区別不可能 0.1 atmなら許容 isobutane 10%だと区別可能

43. データ取得システム THR 1 P.E. 両側読み出しのプラスチックシンチレータ のコインシデンス • NIMモジュールとCAMACを組み合わせたシステム 620 kHz Ps-1 520 kHz 280 kHz Ps-2 プラスチックシンチレータとLaBr3信号 のコインシデンスがトリガー THR 20 keV 11 kHz LaBr3-1 530Hz 11 kHz LaBr3-2 720 Hz 10 kHz LaBr3-3 4つのLaBr3信号のAny Two 10 kHz LaBr3-4

44. 超微細構造の直接測定へ向けて • 周波数可変ジャイロトロン(Reflective gyro-BWO)は共振器が完成した段階 • 試験はこれから • 現在のジャイロトロンの別の共振モードを使えば, 199 GHzや170 GHzのoff-resonanceでの遷移確率を測定可能 • 設計周波数203.4GHzのジャイロトロンを試験中 • 上手くいけば共鳴ピークの両側を押さえられる(現在のジャイロトロンは202.9 GHz, ピークは203.4 GHz弱) • 周波数が変化した際にパワーモニタの応答を正確にキャリブレーション出来るかが課題