ポジトロニウムに磁場をかけると、o-Ps と p-Ps が混合し、ゼーマンシフトを起こします。ゼーマンシフト (Δ_mix) の値は、HFS のエネルギー差 (Δ_HFS) と磁場の強さに依存しているため、磁場中でのゼーマンシフトを正確に求めると、HFS を精密に測定する事ができます。

ゼーマンシフトした準位 (|+>) の面白い一つの特徴は、崩壊時のガンマ線の方向分布に偏りがある事です。この偏りは、ちょうど (Δ_mix) の周期で振動するため、振動周期を正確に求めることで、ゼーマン準位差を求め、最終的には HFS を求める事が出来ます。この方法は、遷移のための光源が不要であるため、比較的手軽に 100ppm 程度の精度まで測定する事が出来ます。このため、HFS 測定の第一弾として行いました。

上図が実験のセットアップと実際の写真です。中心の真空チェンバー中に、⁶⁸Ge-⁶⁸Ga の β⁺ 線源が置いてあります。放出された β⁺ 線のうち、画面手前側に放出された物だけがプラスチックシンチレータによってタグされ、シリカエアロゲル中に入射してポジトロニウムを生成します。元々の β⁺ 線は、放出された方向に偏極していますので、生成されたポジトロニウム自体も、画面手前側に偏極しています。ポジトロニウムが崩壊した際に放出されるガンマ線は、周囲の 6 つの LaBr₃(Ce) シンチレータによって検出されます。各シンチレータのイベントの、ポジトロニウム生成からの時間分布を見る事によって、ガンマ線の放出方向の時間分布を求め、その周期から HFS を測定しました。下の図が、得られた時間分布です。

それぞれ、赤い線は正位相のシンチレータのガンマ線イベントの時間分布、青い線は逆位相のシンチレータのガンマ線イベントの時間分布です。印加した磁場の強さに応じて、振動している事がわかります。それぞれの時間分布をフィットする事によって、Δ_HFS=203.328±0.044(stat.)±0.028(sys.) GHz の値が得られました。この値は、精度があまり良くないため、過去の測定値とも計算値とも無矛盾ですが、光源の不要な簡単な手法で、O(100ppm) の結果を得る事が出来ました。結果は Physics Letters B 697(2011)121-126 に掲載されています。

発表資料

• ポジトロニウム超微細構造の量子振動を用いた測定, (宮崎彬、第47回アイソトープ・放射線研究発表会、2010 年 7 月 8 日、日本科学未来館)
• Measurement of Positronium hyperfine splitting with quantum oscillation, (Y. Sasaki, A. Miyazaki, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, T. Kobayashi, H. Saito, K. Tanaka, A. Yamamoto, Phys. Lett. B 697(2011)121-126, arXiv: 1002.4567)
• ポジトロニウム超微細構造の量子振動を用いた測定, (佐々木雄一、陽電子科学とその理工学への影響、2009 年 11 月 20 日、京都大学原子炉実験所)
• Measurement of HFS of positronium using quantum oscillation (poster), (佐々木雄一、Advanced Science Research Symposium 2009、2009 年 11 月 11 日、日本原子力研究開発機構テクノ交流館リコッティ)
• ポジトロニウム超微細構造の量子振動を用いた測定, (佐々木雄一、日本物理学会秋季大会、2009 年 9 月 13 日、甲南大学)
• ポジトロニウム 超微細構造の量子振動を用いた測定 I (概要・セットアップ), (佐々木雄一、日本物理学会第 64 回年次大会、2009 年 3 月 30 日、立教大学)
• ポジトロニウム超微細構造の量子振動を用いた測定 II (解析・考察), (宮崎彬、日本物理学会第 64 回年次大会、2009 年 3 月 30 日、立教大学)