理化学研究所
日本原子力研究開発機構
東京都立大学
立教大学カスラー・ブロッセル研究所
東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構
高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
中部大学
概要
理化学研究所（理研）開拓研究本部東原子分子物理研究室の奥村拓馬特別研究員（研究当時、現東京都立大学理学研究科化学専攻助教）、東俊行主任研究員、日本原子力研究開発機構の橋本直研究副主幹、東京都立大学の竜野秀行客員研究員、立教大学の山田真也准教授、カスラー・ブロッセル研究所のポール・インデリカート教授、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構の高橋忠幸教授、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の下村浩一郎教授、中部大学の岡田信二准教授（研究当時、現教授）らの国際共同研究グループは、最先端のX線検出器である超伝導転移端マイクロカロリメータ（TES）を用いて、負ミュオンと原子核からなる「ミュオン原子」から放出される「ミュオン特性X線」のエネルギースペクトルを精密に測定し、強電場量子電磁力学をエキゾチック原子で検証するための原理検証実験に成功しました。
本研究成果は、人類がいまだ人工的には作り出せない超強電場下における基礎物理法則の検証に向けた大きな一歩です。本研究により実証された最先端量子技術による高効率かつ高精度なX線エネルギー決定法は、ミュオン原子を用いた非破壊元素分析法などさまざまな研究分野への応用が期待できます。
今回、国際共同研究グループは大強度陽子加速器施設「J-PARC」で得られる低速負ミュオンビームをネオン（Ne）気体に照射し、生成されたミュオン原子（ミュオンNe原子）が放出するミュオン特性X線のエネルギーを、TES検出器を使って精密測定しました。TES検出器の高いエネルギー分解能を最大限に活用することで、ミュオン特性X線のエネルギーを、1万分の1を下回る絶対精度で決定し、強電場量子電磁力学における真空分極の効果を5.8％という極めて高い精度で検証することに成功しました。
本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』オンライン版（4月27日付）に掲載されました。
研究手法と成果
国際共同研究グループは、多価重イオンとは別の方法で強電場下におけるQEDを検証するため、電子の代わりに負の電荷を持つ重い荷電粒子が原子核に束縛された「エキゾチック原子」に着目しました。数あるエキゾチック原子の中でも、「ミュオン原子」は電子より約200倍重い素粒子である負ミュオン（ミュー粒子）と原子核により構成され、負ミュオンは大型加速器を用いてビームとして取り出すことができます。
ミュオン原子の特徴は、原子核に束縛された負ミュオンの軌道半径が束縛電子の軌道半径の約200分の1と、ミュオンが原子核に極めて接近していることです。その結果、この負ミュオンが感じる電場は、多価イオン内の同じ量子準位の束縛電子が感じる電場に比べて約4万倍もの強度に達し、QED効果が極めて大きくなります。加えて、あえて原子核との重なりが小さい高角運動量の量子準位を占める負ミュオンを測定に用いることで、原子核の大きさの影響を無視できる程度まで抑えて実験を行うことが可能です。
ミュオン原子が特定の準位からエネルギーのより低い準位へ遷移（脱励起）する際に放出される「ミュオン特性X線」のエネルギーを精密計測することで、多価重イオンを超える強電場下でのQEDの検証が実現できます。
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