Precise determination of the muon mass by high-precision Rabi-oscillation spectroscopy of the hyperfine structure of muonium atoms

利用μ原子超精细结构的高精度拉比振荡光谱精确测定μ子质量

• 批准号: 21H04463
• 负责人: 鳥居 寛之
• 金额: $ 27.29万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04463/
• 关键词: ミュオニウム原子; 超微細構造; 強磁場; マイクロ波分光; Rabi振動分光; NMRプローブ

本研究は正電荷ミュオンと電子のクーロン束縛系であるミュオニウム原子について、基底状態の超微細構造をマイクロ波によるRabi振動分光を駆使して世界最高の 2 ppb の精度で分光し、ミュオンの磁気モーメントおよび質量を決定することを目指している。強磁場環境での測定では 1.7 T の静磁場中でのゼーマン分裂を利用する。すなわち、遷移周波数が磁場に依存するため、この静磁場の不均一性および時間変動、絶対値校正が系統的不確かさの主要な要因となる。最終的に目標とする測定精度を達成するためには、クリプトンガス中で生成するミュオニウムが分布するラグビーボール大の空間全体にわたって、±0.1 ppm の磁場均一度と絶対値の精度で 10 ppb を達成する必要があり、そのための高精度磁場測定器の開発を進めた。この測定器は空間分布測定用、絶対値校正用、時間変動測定用の三つの装置から構成される。空間分布用測定器は半月状に配置した 24 個の NMR プローブとその回転機構からなる。半月を回転させることで楕円体面上の磁場分布を測定する。当該年度の研究により、プローブ単体の開発を終え、空間分布測定器の多チャンネルシステムの動作試験を繰り返して改良した結果、多チャンネル化に伴うチャンネル間のクロストークを十分に低減できるようになった。1.7 T の磁場の均一度はこれまでに直径 200 mm、長さ 300 mm の回転楕円体の領域に対して，0.2 ppm 以下という性能を達成している。また、絶対値校正用の測定器については、米国のグループとも共同で開発を進め、これまでに 18 ppb の絶対精度を達成した。

In this study, the positive charge, electron and electron binding system, atomic structure, ultra-fine structure of the substrate, Rabi vibration spectroscopy, the world's highest 2 ppb accuracy, spectroscopy, magnetic properties and mass determination were studied. The measurement of high magnetic field environment is 1.7 T and the use of high magnetic field in static magnetic field. Magnetic field dependence, non-uniformity of static magnetic field, time variation and absolute correction are the main causes of system inaccuracy. The final goal is to achieve the measurement accuracy of ±0.1 ppm magnetic field, and the accuracy of ± 10 ppb magnetic field measurement is necessary to achieve the development of high-precision magnetic field measurement equipment. The detector consists of three devices: spatial distribution measurement, absolute value correction, and time variation measurement. The spatial distribution detector has a semilunar configuration with 24 NMR sensors. The magnetic field distribution on the surface of the moon was measured. When this year's research is completed, the development of the single body, the operation test of the spatial distribution tester, the improvement of the results, the multiple generation of the cluster, the reduction of the spatial distribution tester, the reduction of the spatial distribution tester. 1.7 The magnetic field of T is equal to one degree, and the diameter is 200 mm and the length is 300 mm. The performance of the magnetic field is below 0.2 ppm. The detector used for calibration of the absolute value of the sample was developed with an absolute accuracy of 18 ppb.

项目成果

Development of Precise Shimming Technique With Materials Having Low Saturation Magnetization

低饱和磁化强度材料精密匀场技术的发展

• DOI: 10.1109/tasc.2022.3190803
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: Sasaki K.;Sugita M.;Abe M.;Iinuma H.;Ogane C.;Mibe T.;Shimomura K.;Ogitsu T.
• 通讯作者: Ogitsu T.

New beamlines and future prospects of the J-PARC muon facility

J-PARC μ子设施的新光束线和未来前景

• DOI: 10.1051/epjconf/202328201016
• 发表时间: 2023
• 期刊: EPJ Web of Conferences
• 作者: Yamazaki T.、Kawamura ;N.、Shimomura K.、Miyake Y.、Oishi Y.、Adachi T.、Strasser P.、Koda A.、Fujimori H.、Yuasa T.、Ikedo Y.、Kobayashi Y.、Sasaki K.、Mibe T.、Ushizawa T.、Higashino Y.、Nagao D.、Aoki M.、Hase K.、Kaneko S.、Tagawa R.、Uematsu T.、Seiya Y.、Uetake S.、Masuda
• 通讯作者: N.、Shimomura K.、Miyake Y.、Oishi Y.、Adachi T.、Strasser P.、Koda A.、Fujimori H.、Yuasa T.、Ikedo Y.、Kobayashi Y.、Sasaki K.、Mibe T.、Ushizawa T.、Higashino Y.、Nagao D.、Aoki M.、Hase K.、Kaneko S.、Tagawa R.、Uematsu T.、Seiya Y.、Uetake S.、Masuda

New precise spectroscopy of the hyperfine structure in muonium with a high-intensity pulsed muon beam

• DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136154
• 发表时间: 2020-04
• 期刊: Physics Letters B
• 影响因子: 4.4
• 作者: S. Kanda;Y. Fukao;Y. Ikedo;K. Ishida;M. Iwasaki;D. Kawall;N. Kawamura;K. Kojima;N. Kurosawa;Y. Matsuda;T. Mibe;Y. Miyake;S. Nishimura;N. Saito;Y. Sato;S. Seo;K. Shimomura;P. Strasser;Koichi Tanaka;T. Tanaka;H. Torii;A. Toyoda;Y. Ueno

Zero-Field and High-Field Precision Measurements of Muonium Hyperine Structure at J-PARC

J-PARC 对锷金丝桃碱结构的零场和高场精密测量

• 发表时间: 2022
• 作者: S. Nishimura (MuSEUM Collaboration)

Development of Magnetic Field Mapping System for the MuSEUM Experiment With High Precision Using CW-NMR Probes

使用 CW-NMR 探针开发高精度 MuSEUM 实验磁场测绘系统

• DOI: 10.1109/tasc.2022.3190264
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: Tada Hiroki;Yoshizu Fumihiro;Oyama Shun;Tanaka Toya;Sasaki Ken-ichi;Shimomura Koichiro
• 通讯作者: Shimomura Koichiro