反水素原子のラムシフト分光による反陽子荷電半径の測定
Lamb shift measurement of antihydrogen atom for determining the charge radius ofantiproton（原子衝突学会推薦）

黒田 直史

The University of Tokyo

協同研究者 チューリッヒ連邦工科大学

クリヴェッリ パオロ

代表研究者 東京大学

Naofumi KURODAETH Zurich

Paolo CRIVELLI

Precise spectroscopic study of the Lamb shift in antihydrogen atoms will extract the charge radius of antiproton,
which has never been experimentally investigated. The measurement has been planned at a beamline at CERN AD ELENA(Extra Low ENergy Antiproton ring) which will provide intense low energy antiproton beams. At one of the beamlines,
antihydrogen atoms in excited states will be produced via a charge exchange reaction between antiproton and positronium(a bound state of e- and e+). We developed the microwave system and the Lyman alpha detector to perform the Lamb shift
spectroscopy. The beam of 2S state antihydrogen atoms is quenched by a strong electric field, and the emitted Lyman
alpha light is detected. When a microwave irradiated on antihydrogens is tuned to the Lamb shift, which stimulatedtransitions from the metastable 2S state into the short-lived 2P state. Thus, the number of the event with the Lyman alphais decreased. Since the AD ELENA has not been in operational yet, we have constructed a normal hydrogen source toperform the Lamb shift spectroscopy of hydrogen atoms as a "control" experiment.

研究目的

直接測定では 3%の精度で陽子の荷電半径が得られて

水 素 原 子 の 反 物 質 で あ る反 水 素 原 子 の 2S1/2-いる[2,3]．複数の光学的遷移を組合せて導出する方

2P1/2 ラムシフトの分光を通じて陽子の反粒子である法もあり，2%の精度で荷電半径が求められている[4]．

反陽子の荷電半径を初めて実験的に測定するととも荷電半径を知る他の実験手法として，電子線によるに，陽子との比較による CPT 対称性の検証を行うこ散乱実験があり，分光実験と同程度の精度が得られとが本研究の目的である．

[5]，互いに一致しているとみられた．近年，ミュオ反水素原子の分光実験は，近年精力的に行われてンと陽子の束縛状態であるミュオン水素原子の分光おり，1S-2S 間遷移や 1S-2P 間遷移，そして基底状学的研究から導出された陽子の荷電半径がこれまで態超微細構造などが実際に測定されている．本研究知られていたものよりも数%程有意に小さいことがで初めて測定しようとする反水素原子の 2S-2P 間ラ示されており[6]，核子の大きさ自体，重要な研究対ムシフトからは，反水素原子核，すなわち反陽子の象となっている．

電気的な広がり(荷電半径)を得ることができる．陽子の荷電半径と比較することで大きさについてのCPT 対称性の検証が行える[1]．
通常の水素原子のマイクロ波によるラムシフトの研究経過
本研究は，チューリッヒの P. Crivelli 氏らとの共同研究であり，反水素原子のラムシフト分光[7,8]のための装置を開発した．この装置を用いた分光手法
は，水素原子において初めてラムシフトを測定した原子線法[2]を元にしたものを想定している．これは，反水素原子という，限られていてかつ通常の物質に触れると消滅してしまう反物質に適用できる手法である．
反水素原子は，電子と陽電子の束縛状態であるポジトロニウムと反陽子の荷電交換反応によって生成されるものを利用する．反陽子については CERN のELENA を活用する．これまでの反水素や低速反陽子をつかった実験では，同じく CERN の AD (反陽子減速器)を用いていた．AD は 100 MeV/c，運動エネルギーにして 5.3 MeV の反陽子ビームを供給していたが，反水素原子の合成に使うには，エネルギーがあまりにも高過ぎ，効率的ではなかった．新たに建設された ELENA は強度をほぼ保ったままエネルギーを 100keV にまで下げ，200ns ほどのパルス状のビームとして供給する．この大強度の低エネルギー反陽子ビームを静電的に 6keV まで減速し，ポジトロニウムと衝突させる．
一方のポジトロニウムは，電子加速器からの9MeV の電子ビームをタングステン標的に照射してFigure

1

A schematic diagram of hyperfine

structure for (anti-)hydrogen atom in n=2 stateを CsI で覆ってあり，紫外光があたると出る光電子を MCP で増幅，検出できる．検出効率は 40%程である．ビームを中心軸にした四角柱の四つの各側面に正方形の MCP を配置して 46%をカバーできるようになっている．
マイクロ波装置は，ライマンα光検出器の手前に設置されている．平行に配した無酸素銅の極板で構成され，導波管のようになっている．反水素合成チ陽電子を生成し，それを一旦イオントラップ中に蓄ャンバーに直接接続するため，10-10mbar 程度以下の積する．十分な数が溜まるとそれをシリカ標的に打真空が保たれている．ビームに対して上下に 30mmち込んでポジトロニウムを生成する．ポジトロニウの間隔で設置された極板それぞれに位相を反転させムの寿命程度の時間のあいだに反陽子ビームが交叉た RF を印加する．極板間には最大 10V/cm 程度の電できるようにタイミングを合わせている．

場がかかり，2S1/2 から 2P1/2 への遷移を誘起する．遷

反陽子とポジトロニウムの荷電交換反応で生成さ移がおこると 2P1/2 状態は短寿命なため，ライマン αれた反水素原子の量子状態は分布をもつが，本研究光検出器に到達するまえに 1S 状態へ脱励起する．こに必要な 2S 状態の収量はちょうどのこの 6keV の衝突エネルギー付近でピークとなる．
ポジトロニウムと反応しなかった反陽子，2S 状態を含む反水素原子，それにごくわずかの反水素イオンがほぼ 6keV のエネルギーのまま標的から出てくのため，ライマン α 光検出器では見えなくなる．印
加するマイクロ波の周波数を変えていき，ライマン
α 光のみえなくなる箇所を探すことでラムシフトに対応する周波数を求めることができる．
開発した装置でのラムシフトの測定精度は，数百る．静電的にそれらを分離し，それぞれ別の実験にから千 ppm 程度に限られると予想される．これは，供される．本研究にはこの中性の反水素原子ビーム2S および 2P 状態それぞれに伴う超微細構造によるが用いられる．

(図 1)．これらのエネルギー間隔は近接しており，実ラムシフト分光装置は，マイクロ波を印加し，2S1/2

際にはこれらの超微細準位が重なったものが測定さ→2P1/2 への遷移を起こさせる部分と，ライマン α 光れることで線幅が広がり上記の測定精度に帰結するを検出する部分からなる．後者は，2S 状態の反水素原子に強い電場をかけることで 2S1/2 と 2P1/2 のシュタルク混合を起こさせて 2P1/2 から基底状態へ脱励起とみられる．
そのため，追加の共振器を用いて 2S 状態のうちさせ，その際に出る真空紫外光(ライマン α 光)を検F=1 のものは先に脱励起させてしまう．図 1 にある出するものである．MCP(Micro-Channel Plate) の表面

ように 2S1/2 の F=1 から 2P1/2 の F=0 および 1 へは，Figure 3 The microwave system with the hydrogensourceームタイム終了後に装置を取り外して，2019 年の冬にチューリッヒに持ち運んだ．

Figure 2 The experimental setup for the microwave

図 3 にあるように，現在，マイクロ波装置とライ

spectroscopy at CERN

マンα光検出器，また水素原子を検出するための四1088MHz, 1147MHz の遷移周波数に対応し，2P 状態重極質量分析計を一つにして水素原子源につなげるの自然幅もあるため 1110MHz 程度のマイクロ波でようになっている．水素原子源は，水素分子を解離この二つを遷移させられる．装置では，振幅 20V/cm程度がかかり，F=1 の状態を 1%以下にできる．これさせて生成した基底状態の水素原子線を出す．分光に必要な励起状態原子を得るために，マイクロ波装置の手前で電子線衝撃によって励起状態を得る仕組

によって 910MHz 程度の周波数に対応する 2S1/2 F=0みに作りかえている．また，バックアップとして，から 2P1/2 F=1 間の遷移だけを測定できる．

共同研究者がポジトロニウム分光実験に用いている

2018 年夏に，開発したこの測定装置一式を図 2 に示すように CERN の反水素ビームラインに設置した．

ライマンαレーザーも打ち込めるようにしてあり，レーザーでの励起も試せるようになっている．

図 2 の上から陽電子ビームが反水素合成チャンバー(Reaction Chamber)内のシリカ標的に打ち込まれ，ポジトロニウムが生成される．これに合わせて ELENAからの反陽子ビームが図の左から入射し，ポジトロニウムとの衝突による荷電交換反応で反水素原子が生成される．
ELENA は 2016 年から建設が始まり，やや遅れた
ものの 2018 年初めに建設は完了した．同じ 2018 年
より水素負イオンや反陽子での試運転が行われ，反考察
ELENA の正式稼動が当初の予定より遅れ，反水素原子の測定に進められていないが，前述のように
ELENA が稼動し反陽子ビームの供給が始まるまでの間，水素原子を用いて設計精度での分光を確かめる実験を進めることとした．現在一次帰国しているが，再渡航して図 3 のセットアップで水素原子のラムシフト分光を行う．

陽子の 5.3 MeV から 100 keV への減速，100keV での反水素原子の分光で見積られる不確かさの最大の電子冷却などの調整が続けられた．本研究で使用すものは統計であるが，水素原子では統計による不確

るビームラインへの反陽子ビーム供給は 2018 年のかさは小さくでき，系統的なシフトの要因として夏と予定されていたが，結局ユーザへの供給はなく2018 年の運転は終了した．そのため，反水素原子ビームは得られていない．
そこで我々は，反陽子ビーム供給が開始されるまで水素原子のラムシフトの測定を行うこととし，ビAC シュタルクシフトがまず挙げられる．これは100kHz のオーダーである．一次と二次のドップラーシフトはそれよりも小さいとみられる．超微細構造
準位を選択した状態での線幅は 160MHz 程度であり，水素原子源での測定ではラムシフトを少なくともQED tests, nuclear and fundamental constants", Phys.

100ppm の精度で，陽子荷電半径に直すと 10%での測Rep., 422:1 (2005).

定が可能と見積っている．これは水素原子でのラム

5. G.G. Simon, Ch. Schmitt, F. Borkowski, and V.H.

シフト直接測定のこれまで報告された最も精確な測Walther, "Absolute electron-proton cross sections at low

定の数倍程度である．

momentum transfer measured with a high pressure gas

反陽子ビームの供給が始まり，反水素原子での測

target system", Nucl. Phys. A, 333:381 (1980).

定を行う場合，統計が重要な要因になる．ELENA の6. R. Pohl et al., "The size of proton", Nature, 7303:213

実質稼働率が 80%程度と仮定して，一日のビームタ(2010).

イムでおよそ 100 イベント弱と想定され，ELENA の7. P. Crivelli, D. Cooke, M.W. Heiss, "Antiproton charge

運転二ヶ月分程度で上に挙げた 100ppm でのラムシ

radius", Phys. Rev. D, 94:052008 (2016).

フト測定が可能になると見積っている．

8. N. Kuroda, D.A. Cooke, P. Crivelli, H. Higaki, G, Janka,
Y. Matsuda, B. Radics, and C. Regenfus, "Lamb shiftmeasurement of antihydrogen for determining the charge

参考文献

radius of antiproton and a stringent test of CPT symmetry",

1. V.A. Kostelecky and A.J. Vargas, "Lorentz and CPT

J. Phys. Conf. Ser., 875:022054 (2017).

tests with hydrogen, antihydrogen, and related systems",
Phys. Rev. D, 92:056002 (2015).
2. W.E. Lamb and R.C. Retherford, "Fine structure of the

研究の発表

hydrogen atom by a microwave method", Phys. Rev.,

口頭発表

72:241 (1947).

1.

3. S.R. Lundeen and F.M. Pipkin, “Separated Oscillatory
Field Measurement of the Lamb Shift in H, n=2”,
Metroligia, 22:9 (1986).
4. S.G. Karshenboim, "Precision physics of simple atoms:

黒田直史、西諒真、松田恭幸、 Paolo Crivelli,
Gianluca Janka: 反陽子荷電半径測定のための反水素原子ラムシフト分光にむけて、 日本物理学会年会、福岡、2019 年 3 月