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Laser Excitation of Confined Positronium in Porous Materials for Rapid Cooling

周, 健治 東京大学 DOI:10.15083/0002004689

2022.06.22

概要

電子とその反粒子対である陽電子とが構成する水素様束縛系原子はポジトロニウム（Ps）と呼ばれ、基礎物理学研究において有用な系である。Psを応用した研究をさらに深化するために、Psの高速冷却手法の開発が重要である。オルソ–ポジトロニウム（o-Ps）の崩壊寿命である約142nsと同程度の時間にPsを10K以下まで冷却できれば、ドップラー効果の低減によるPs精密分光精度の向上、また、反粒子系で初となるボース–アインシュタイン凝縮の実現が期待できる。これらの応用として、反粒子と地球との間にはたらく重力効果の精密測定や、CPT非対称性の探索、また、511keVという高エネルギーのガンマ線レーザー光源の開発への道が拓ける。以降の本文では、Psとはo-Psのことを示す。

著者らは、Psを高速に冷却する新しい手法を提案した。この手法は、Psの物質中での熱化とレーザー冷却とを併用する。Psをシリカ（SiO2）でできた多孔質材料中の空孔に閉じ込めると、Psの温度は材料の温度に近づいていく。この過程は熱化過程と呼ばれ、材料を10K程度に冷却しておけば、Psを200K程度まで高速に冷却できることを実測している。熱化するPsに対し、Lyman-α遷移を誘導する波長243nmの紫外レーザーを照射することでドップラー冷却を行う。このドップラー冷却により、熱化過程が非効率となる200K以降の冷却を加速し、300ns程度で10Kまでの冷却が可能となる。

新しい冷却手法ではPsのLyman-α遷移を繰り返すため、空孔中で2P励起状態である時間が長くなる。しかし近年、2P状態にあるPs（2P-Ps）は、シリカ多孔質材料中で大きい消滅率をもつこと、また、Lyman-α遷移曲線の幅が既存の現象では説明できないほど広がることが報告された。提案した冷却手法を実現するためには、これらの異常現象が生じる機構を解明し、それらの発現が抑制された多孔質材料を開発する必要があることが分かった。

2P-Psの異常現象が発現しない可能性のある材料として、シリカエアロゲルという多孔質材料を用いた。先述の先行研究では、材料に残留した何らかの不純物により、基底（1S）状態にあるPsが空孔表面に束縛されていることが示唆されており、この表面束縛状態の形成が2P異常現象の発現に寄与していることが提案された。一方シリカエアロゲルでは、1S-Psはそのような表面束縛状態を形成しないため、シリカエアロゲル中でのPsのLyman-α遷移を観測することで、提案された仮説を検証することができる。さらに本研究では、2P-Psの消滅率を陽に含んだ現実的なモデルを構築し適用することで、2P-Psの空孔中での消滅率を定量的に測定することとした。エアロゲルに陽電子を照射しPsを生成するタイミングに対し、紫外励起レーザーを照射するタイミングを変えることにより、消滅率のPs運動エネルギー依存性も初めて測定した。これらの情報は、2P異常現象の発現機構解明に資すると期待される。

エアロゲル中にPsを生成し、レーザー照射によりLyman-α遷移を観測する実験は、高エネルギー加速器研究機構の低速陽電子実験施設（KEK-SPF）にて行った。KEK-SPFでは、約10nsの時間幅に多数の陽電子が含まれたバンチ状のビームが得られるため、本実験で用いるナノ秒パルスレーザーと同期してPsを生成することができる。Psをエアロゲル空孔中に生成し、パルスレーザーを照射、出てきた消滅ガンマ線をシンチレータで検出することで、Psの消滅率を測定する装置を構築した。KEK-SPFでの実験に先立ち、エアロゲルの物性と空孔中でのPsの振る舞いを詳細に測定している。特に、エアロゲル中での1S-Psの寿命値と、Psが空孔中で自由に運動しているときに予想される寿命値との一致を確認した。空孔中でのo-Psの寿命は、運動するPsの波動関数と空孔表面からの電子の染み出し（距離にして約0.18nm）との重なりによりPs中の陽電子と染み出した電子との間で対消滅が生じるため、短くなることが知られいる。寿命値の空孔径に対する依存性はよく較正されている。エアロゲルは約50nm直径の空孔をもっており、空孔径から期待される寿命である約130nsと実測した寿命値が一致した。このことから、Psはエアロゲル空孔中で表面に束縛されず、自由に運動していると考えられる。なお、KEK-SPFにおいてもエアロゲル中での1S-Psの寿命を測定し、前述の予想、測定との一致を確認している。KEK-SPFではバンチ化された陽電子からの多数の消滅ガンマ線が検出されるため、パイルアップを適切に処理できる解析方法を採用した。

まず、2P-Psが空孔の外では消滅しないことを確認した。これは、空孔中に生成されその後の運動によりエアロゲルから外の真空に飛び出したPsにレーザーを照射することで行った。Lyman-α遷移を誘導する紫外レーザーと、2P-Psのみを電離する532nm緑レーザーを同時に照射することで、遷移が生じた際に電離した陽電子による対消滅が信号として観測される。電離陽電子による対消滅信号は、紫外レーザーと緑レーザーを同時に照射し、かつ、紫外レーザーの波長をLyman-α共鳴中心である243nm付近としたときにのみ観測された。これにより、Psは2P状態に励起され、空孔の外ではガンマ線に崩壊しないことが示された。また、遷移曲線の幅は、熱化過程より期待されるPsの温度から生じるドップラー広がりと同程度であり、異常な広がりが生じないことも観測された。

一方、空孔中で2P-Psへ励起すると、先行研究と同様の消滅現象と共鳴幅の広がりが観測された。この測定では、Psをエアロゲル空孔中に閉じ込めるために、エアロゲルの陽電子入射面を75nm厚の非多孔質シリカ膜で塞いだ。紫外レーザーのみを膜付きエアロゲルに照射することで、空孔中に閉じ込められたPsのLyman-α遷移を誘導した。空孔の外で遷移した場合と異なり、紫外レーザーのみの照射に同期した消滅ガンマ線の増加が観測された。消滅したPsの量は、レーザー照射タイミングに残っていた1S-Psのおよそ半数であった。このことは、2P-Psがエアロゲル空孔中においても高い消滅率で崩壊することを示している。また、243nmを中心とする幅広い遷移共鳴が観測された。共鳴の幅は半値全幅で1nmであり、やはりドップラー広がりや衝突広がりといったような既存の現象で説明することはできないほど広い値であった。

また、新たに構築したPsの崩壊モデルを適用することにより、2P-Psの空孔中での消滅率を定量的に測定した。消滅率は1THz–7THz程度の値をとり、Ps運動エネルギーに依存することが観測された。一方、共鳴幅は消滅率に依存しなかった。このことから、消滅現象と独立な機構により、空孔中では1S–2P状態のエネルギー準位差に幅が生じていることが示唆される。消滅率を空孔中でのPs平均衝突頻度で規格化すると、両頻度が同程度の値であり、Ps運動エネルギー0.06eV程度にて最大となることが分かった。

以上の測定により、1S-Psが表面に束縛されないエアロゲル空孔中においても、2P-Psの消滅率が高く、共鳴幅が広がることが分かった。これら異常現象を引き起こしうる機構や原因を考察した。まず、共鳴幅の広がりは消滅率に依存せず、空孔に存在する電場によるシュタルク効果など、消滅現象と独立な機構によって生じることが示唆された。エアロゲルを構成する微粒子表面にはシラノール基（–Si(OH)）が存在するため、Psはその双極子電場を表面からの距離に依存して感じる。空孔中で励起される際の位置が一様であれば、2P状態のエネルギー準位が広がると考えられる。空孔径と典型的なシラノール基の密度から双極子電場の大きさを見積もると、観測された共鳴幅を説明できるほど大きくなり得ることが分かる。また、消滅機構については、1S-Psにはない2P状態の特徴的な性質が寄与していると考えられる。励起状態では束縛エネルギーが小さいため、電子と陽電子がシリカ中に存在することが安定であったり、またはP状態がもつ大きな電気感受率が物質との間の相互作用効果を増幅している可能性がある。

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