高強度レーザー場と高輝度Ｘ線ビームを用いた真空の巨視的構造の探索

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高強度な電磁場中では真空偏極の影響で真空の屈折率が変化する。その変化は真空中を伝播する光に対して真空複屈折と真空回折という効果を引き起こす。これら効果を通じて真空偏極の探索研究を行っている。本研究では高強度レーザーを使って真空の屈折率を変化させ、X線自由電子レーザーの直線偏光したX線ビームでプローブする。真空複屈折と真空回折の効果はX線の偏光軸や運動量の微小な変化として捕らえられるため、偏光子やスリット等で分離して検出する。2019年は、まず真空回折の効果を探索するための技術開発に注力した。レーザーの集光や、真空回折探索においてバックグラウンドとなるX線を除去する光学素子(shaper)の開発を行い、これら開発した要素を導入した真空回折の探索実験を行った。今年は探索実験で得られたデータの詳細な解析に注力した。本研究の最重要課題は、X線ビームとレーザーが空間的に交差していることを保証することで、実験ではAuサンプルを用いて両者の相対位置の情報を取得した。サンプルの顕微鏡画像の詳細な画像解析などを行ない、両ビームの交差の精度が4umであるとわかった。これはX線ビームサイズ(約20um)の1/5と小さく、十分な精度で両ビームの交差が行えたことを保証出来た。これにより真空回折現象の起こる確率に世界初の実験的な制限をつけた。その上限は量子電磁気学の予想の18桁上である。実験感度のさらなる向上には、偏光子を導入し、シグナルとバックグラウンドを偏光の情報で分離することが必須となる。2019年に偏光子とshaperを組み合わせたセットアップを組み、懸念されていたX線ビームのポインティングの安定性を確認できた。そのため、このセットアップでの実験パラメータの最適化の研究を行った。これにより開発した技術を用いれば、20日の測定で真空偏極が観測可能であることを示せた。