ポジトロニウム超微細構造を他の 2 つの方法は、ΔHFS を直接測定するのではなく、磁場を用いて Δmix に焼き直して間接測定する方法でした。今まで行われた測定はすべて間接測定で、直接 o-Ps と p-Ps の間の遷移を起こして測定した実験はありませんでした。これは、ΔHFS が 0.84meV と大きく、サブテラヘルツ波に相当するエネルギー差である事に起因します。HFS 遷移が禁止遷移である上に、長寿命の o-Ps ですら 142ns の寿命しかないため、直接遷移には大強度の光源が必要なのですが、サブテラヘルツ波でそのような光源が存在しなかったのです。

この問題を解決するために、われわれは、ジャイロトロンとファブリペロー共振器を組み合わせて使用します。

ジャイロトロン (上写真) は、磁場中に電子を打ち込み、磁場中でシンクロトロン放射を起こさせる事によって、大強度のテラヘルツ/サブテラヘルツ波を取り出す装置です。われわれは HFS 遷移用に周波数を調整したジャイロトロンを製作しました。

ジャイロトロンからの出力は、一次元ファブリペロー共振器中に蓄積しエネルギー密度を200倍程度にします。この組み合わせにより、共振器中に約20kW程度のサブテラヘルツ波を蓄積できます。この共振器中でPsを作って、周囲に置いた検出器で崩壊ガンマ線の分光をおこなう事で、世界で初めての直接遷移測定に成功しました。また、ジャイロトロンの発振周波数を変更することで、ブライト・ウィグナー共鳴曲線を得ることにも成功しました (下図)。

この曲線から得られた超微細構造の値は、203.39+0.15/-0.14(stat.)±0.11(syst.)GHz であり、理論計算値と無矛盾な値です。また、得られた共鳴の幅はパラポジトロニウムの崩壊幅を示します。幅から得られたパラポジトロニウムの寿命も世界初の直接測定であり、89+18/-15(stat.)±0.11(syst.)psという理論計算値と無矛盾な値でした。

発表資料

• 光を使って真空や時空を探る, (山崎高幸・浅井祥仁、月刊「化学工業」2017年3月号(Vol.68 No.3)、p.p.170-175)
• ポジトロニウム超微細構造の新しい測定, (難波俊雄、日本物理学会第 71 回年次大会、2016 年 3 月 21 日、東北学院大学)
• ポジトロニウムのエネ初測定, (日経サイエンス2015年8月号 pp.16-17、国内ウォッチ記事に取り上げられました)
• 大強度ミリ波を用いたポジトロニウム超微細構造の直接測定, (宮崎彬, 日本物理学会第69回年次大会, 2014 年 3 月 28 日、東海大学)
• First millimeter-wave spectroscopy of ground-state positronium, (宮崎彬、Prog. Theor. Exp. Phys. 2015, 011C01、 arXiv: 1403.0312)
• Direct Measurement of the Hyperfine Structure Interval of Positronium Using High Power Millimeter Wave Technology, (宮崎彬、2013 年度博士学位論文、Springer thesis ISBN: 978-4-435-5560-3)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定, (山崎高幸、陽電子科学とその理工学への影響、2013 年 11 月 30 日、京都大学原子炉実験所)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定I (概要と光学系), (山崎高幸, 日本物理学会秋季大会, 2013 年 9 月 20 日、高知大学)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定II (解析及び暫定結果), (宮崎彬, 日本物理学会秋季大会, 2013 年 9 月 20 日、高知大学)
• Sub-THz Spectroscopy of the Ground State Hyperfine Splitting of Positronium, (山崎高幸, 3rd Workshop on the Physics of Fundamental Symmetries and Interactions at low energies and the precision frontier (PSI2013), 2013 年 9 月 11 日、パウルシェラー研究所、スイス)
• Sub-THz Spectroscopy of the Ground State Hyperfine Splitting of Positronium, (山崎高幸, The International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2013), 2013 年 9 月 6 日, マインツ、独国)
• Direct measurement of the Hyperfine Structure of Ground-State Positronium, (難波俊雄、The XVII International Workshop on Low-Energy Positron and Positronium Physics (POSMOL2013)、2013 年 7 月 20 日、金沢文化ホール)
• The direct spectroscopy of positronium hyperfine structure using a sub-THz gyrotron, (宮崎彬他、Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 35(2014)91-100.)
• Direct Measurement of the Hyperfine Transition of Positronium using High Power Sub-THz Radiation, (山崎高幸、日本物理学会第 68 回年次大会、素粒子実験領域若手奨励賞受賞講演、2013 年 3 月 28 日、広島大学)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定 I (概要と光学系), (山崎高幸、日本物理学会第 68 回年次大会、2013 年 3 月 27 日、広島大学)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定 II (測定の経過), (宮崎彬、日本物理学会第 68 回年次大会、2013 年 3 月 27 日、広島大学)
• Sub-THz Spectroscopy of the Ground State Hyperfine Splitting of Positronium, (山崎高幸、International Symposium on Development of Terahertz Gyrotrons and Applications、2013 年 3 月 14 日、福井大学)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定の現状, (宮崎彬、陽電子科学とその理工学への影響、2012 年 11 月 30 日、京都大学原子炉実験所)
• The direct spectroscopy of positronium hyperfine structure using sub-THz gyrotron, (宮崎彬、International Symposium on Frontiers in THz Technology (FTT2012)、2012 年 11 月 27 日、東大寺総合文化センター)
• Direct measurement of the Hyperfine Structure of the Ground state Positronium using High Power sub-THz radiation (Proceedings), (山崎高幸、The 37th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz)、2012 年 9 月 28 日、豪州ウロンゴン大学)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定 I, (山崎高幸、日本物理学会秋季大会、2012 年 9 月 11 日、京都産業大学)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定 II (ミリ波共振器), (宮崎彬、日本物理学会秋季大会、2012 年 9 月 11 日、京都産業大学)
• The sub-THz direct spectroscopy of positronium hyperfine splitting、(Proceedings), (宮崎彬、16th International Conference on Positron Annhilation (ICPA-16)、2012 年 8 月 20 日、英国ブリストル大学)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定, (宮崎彬、 第49回アイソトープ・放射線研究発表会、2012 年 7 月 10 日、東京大学)
• Direct Observation of the Hyperfine Transition of the Ground State Positronium, (山崎高幸他、arXiv: 1204.1129、Phys. Rev. Lett. 108, 253401(2012), arXiv: 1204.1129)
• ポジトロニウムにおける超微細構造間遷移の直接観測, (山崎高幸、日本物理学会第 67 回年次大会、2012 年 3 月 24 日、関西学院大学)
• ポジトロニウムの超微細構造の直接測定へ向けたミリ波デバイスの開発, (宮崎彬、日本物理学会第 67 回年次大会、2012 年 3 月 24 日、関西学院大学)
• Direct Measurement of the Hyperfine Structure of the Ground State Positronium using High Power Sub-THz Radiation (Proceedings), (山崎高幸、The 4th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2012 (FIRT2012)、2012 年 3月 8 日、福井大学遠赤外線センター)
• Direct Measurement of the Hyperfine Transition of Positronium using High Power Sub-THz Radiation, (山崎高幸、2011 年度博士学位論文)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定, (宮崎彬、陽電子科学とその理工学への影響、2010 年 12 月 3 日、京都大学原子炉実験所)
• The First Observation of Direct Transition between o-Ps and p-Ps by sub-THz Radiation, (末原大幹、Cold Antimatter and High Precision Physics 2011 (Pbar11)、2011 年 11 月 29 日、島根県立産業交流会館)
• Direct Measurement of Positronium Hyperfine Splitting, (宮崎彬、36th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz2011)、2011 年 10 月 7 日、Houston USA)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の直接測定, (山崎高幸、日本物理学会秋季大会、2011 年 9 月 18 日、弘前大学)
• サブミリ波を用いたポジトロニウム超微細構造の直接測定, (末原大幹、第48回アイソトープ・放射線研究発表会、2011 年 7 月 8 日、日本科学未来館)
• First Direct Measurement of Hyperfine Splitting of Positronium using sub-THz light (Proceedings arXiv: 1105.4352), (山崎高幸、10th International Conference on Low Energy Antiproton Physics (LEAP2011)、2011 年 4 月 27 日、TRIUMF, Canada)
• ポジトロニウム超微細構造の直接測定, (宮崎彬、2010 年度修士学位論文)
• Positronium Hyperfine Splitting (arXiv: 1011.6457), (宮崎彬、International School of Subnuclear Physics 2010、2010 年 8 月、Erice Italy)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の直接測定, (山崎高幸、陽電子科学とその理工学への影響、2010 年 11 月 27 日、京都大学原子炉実験所)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウムの超微細構造の測定 I (光学系), (山崎高幸、日本物理学秋季大会、2010 年 9 月 14 日、九州工業大学)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウムの超微細構造の測定 II (検出器系), (宮崎彬、日本物理学秋季大会、2010 年 9 月 14 日、九州工業大学)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の測定, (山崎高幸、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)
• New Experiment for the First Direct Measurement of Positronium Hyperfine Splitting with sub-THz light (Proceedings: Materials Science Forum 666(2011)133-137), (宮崎彬、39th Polish Seminar on Positron Annihilation (PSPA10)、2010 年 6 月 23 日、Kazimerz Dolny, Poland)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の精密測定 I 測定の概要, (宮崎彬、日本物理学第 65 回年次大会、2009 年 3 月 23 日、岡山大学)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の精密測定 II, (山崎高幸、日本物理学第 65 回年次大会、2009 年 3 月 23 日、岡山大学)
• Application of Gyrotron: Precision measurement of Positronium HFS、(Proceedings arXiv: 1003.4324), (浅井祥仁、The 3rd International Workshop on Far-Infrared Technologies 2010 (IW-FIRT2010)、2010 年 3 月 15 日、福井大学)
• Detection of the Direct Hyperfine Transition of Positronium Atoms using sub-THz High-power Radiation (Poster)、(Proceedings arXiv: 1007.0843), (末原大幹、The 3rd International Workshop on Far-Infrared Technologies 2010 (IW-FIRT2010)、2010 年 3 月 16 日、福井大学)
• サブミリ波を用いたポジトロニウム超微細構造の精密測定 光学系の現状と検出器系, (宮崎彬、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)
• Experiment for the First Direct Measurement of the Hyperfine Splitting of Positronium (Poster), (宮崎彬、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)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の精密測定 I (概要と共振器), (末原大幹、日本物理学会秋季大会、2009 年 9 月 13 日、甲南大学)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の精密測定 II (設計した検出器とシグナルの見積り), (宮崎彬、日本物理学会秋季大会、2009 年 9 月 13 日、甲南大学)
• Probing the Energy Structure of Positronium with a 203 GHz Fabry-Pérot Cavity (Poster)、(Proceedings arXiv: 1007.0834), (末原大幹、The Workshop on Low Energy Positron and Positronium Physics (POSMOL2009)、2009 年 7 月 29 日ー 8 月 1 日、York Univ., Toronto, Canada)
• The First Direct Measurement of the Hyperfine Splitting of Positronium (Poster), (末原大幹、XXVI International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions (ICPEAC2009)、2009 年 7 月 22ー28 日、York Univ., Western Michigan Univ., Kalamazoo, US)
• ポジトロニウム 超微細構造の精密測定 III (ミリ波を用いた直接遷移実験), (難波俊雄、日本物理学会第 64 回年次大会、2009 年 3 月 30 日、立教大学)
• サブテラヘルツ波を用いたポジトロニウム超微細構造の直接測定, (末原大幹、日本物理学会秋季大会、2008 年 9 月 21 日、山形大学)
• サブテラヘルツ波を用いた束縛系 QED の精密検証, (浅井祥仁、テラヘルツ研究会、2007 年 12 月 3 日)