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

ポジトロニウム（ o-Ps, p-Ps ）

e+ e-

•　オルソポジトロニウム（ o-Ps ）

e+ e-

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

p-Ps

スピン３重項

•　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 0.125nsec511keV の γ 線 2 本を back-to-back に放出

4

ポジトロニウム超微細構造（ Ps-HFS ）

o-Ps

p-Ps

Ps-HFSe+

e-

e+

e-

o-Ps o-Psγ*

•　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

2me

5

3.9σ のずれ

独立した２つの実験値が一様にずれている

実験値 203.388 65(67) GHz (3.3 ppm)

理論計算値 O(a3) QED203.391 69(41) GHz (2.0 ppm)

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

• 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）

p-Ps （寿命 0.125ns で 2g崩壊）

203GHz M1 誘導遷移

エネルギー準位 e+ e-

e+ e-

7

難しい理由

10kW の光を照射したときに期待される遷移曲線

• 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

理論計算→ 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

8

実験セットアップ

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

22Na β+ 線源 & β+ 検出器

γ 線検出器

b+

e+e-

g

gM3

M2M1

ビーム伝送系

Ps

ジャイロトロン数 100W で周波数可変な sub-THz 光

源

放物ミラー

導波管

Ps はガス中で生成される

9

実際の写真

10

ジャイロトロン

~ 2m

超伝導磁石7.34T

@ 福井大学

10

• 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 )

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

11

ビーム伝送系

M0

ステップカット導波管

ビーム

• 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

微調整用レンズ

ガウシアンビーム

• 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

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%

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

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

共振入射50mm

線幅 200µm間隔 160µm厚さ 1µm

13

• 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

• 共振の鋭さの指標（フィネス F ）は共振幅 G と波長=1.47l mm から

• 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

共振器を透過するパワー

共振器で反射するパワーFabry-Pérot 共振器 (2)

実測

実測

€

F =λ

2Γ= 646

€

C =1 −0.63

1.85= 0.66

€

Pint =CF

πPin = 9.9 kW 共振幅 G=1.1µm

14

検出器系全体像

100mm

Fine Mesh PMT

メッシュミラー

銅球面ミラー

LaBr3 結晶

22Na 線源 1MBq鉛コリメータ

プラスチックシンチレータ( プラシン ) t 0.1

入射ビーム

N2 0.9 atm + isobutane 0.1 atm ガス

15

実際の写真

16

シグナル (1)

・ 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

e+

ビーム軸からの図

φ1.5inch x 2inchLaBr3(Ce) 結晶

φ1.5inch x 2inchLaBr3(Ce) 結晶

鉛シールド

ライトガイド

203GHz ビーム

22Na e+ ソース (1MBq) プラシン

17

シグナル (2)

・ 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

e+

ビーム軸からの図

φ1.5inch x 2inchLaBr3(Ce) 結晶

φ1.5inch x 2inchLaBr3(Ce) 結晶

鉛シールド

ライトガイド

203GHz ビーム

22Na e+ ソース (1MBq) プラシン

e+ e-

o-Ps

18

シグナル (3)

・ 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

e+

ビーム軸からの図

鉛シールド

ライトガイド

203GHz ビーム

22Na e+ ソース (1MBq) プラシン

e+ e-

p-Psg 511keV

g 511keV

o-Ps: 寿命142nsp-Ps: 寿命125ps

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

適切に Timing Window をとるとS/N が 2 桁以上良くなる

プロンプト崩壊

Timing Window

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

1. back-to-back に 511 keV ± 3s2. 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 )3. 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

e+

ビーム軸からの図

g o-Psge+ e-

g

・ 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

e+

ビーム軸からの図

o-Ps

e+ e-

・ 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

e+

g 511keV

o-Ps

g 511keV

24

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

・ 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 )

e+

g 1275keV

g 511keV

g 511keV

g 511keV

g 511keV

鉛 t10

・ 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

25

pick-off 崩壊 パイルアップ

3 光子崩壊

・ 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

back-to-back の相手が 511keV±3s の場合の各 LaBr3 シグナルの和

シミュレーションによる BG スペクトラム

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 )

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

ジャイロトロンはduty 比 30%, 5Hz

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

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

2g a

nnih

ilatio

n pr

obab

ility

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

32

2nd step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

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

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

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)陽電子 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)• 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

€

ω 0 =χ mnR

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟2

+lπ

L

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟2

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）

共振器 7.34 T

電子銃

共鳴光

超伝導コイル

電子

カソード

アノード

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）

ωωω

m

eBcz 22

• 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

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

39

ジャイロトロンGyrotron

Gyro-BWO

Reflectivegyro-BWO

e-

e-

e-

Backward Wave はキャビティーの入り口で反射される

Blue : Forward WaveRed : Backward Wave

cavity

電磁波

電磁波

電磁波

ハイパワー

周波数可変

ハイパワー &周波数可変

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

ガウスビーム （理論計算）

TE03 （遠方界、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 M0後 M１後

M2後赤丸がアパーチャー アパーチャー後 レンズ後

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

0.1 atm なら許容

N2 100%だとPs と区別不可能

isobutane 10%だと区別可能

43

データ取得システム• NIM モジュールと CAMAC を組み合わせたシステムPs-1

Ps-2

LaBr3-1

LaBr3-2

LaBr3-3

LaBr3-4

4 つの LaBr3信号の Any Two

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

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

620 kHz

520 kHz

11 kHz

11 kHz

10 kHz

10 kHz

720 Hz

280 kHz

530Hz

THR 1 P.E.

THR 20 keV

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