J. Plasma Fusion Res. Vol.98, No.4 (2022)１
７９‐１８５講座 荷電粒子群の閉じ込めと制御の物理が可能にした反物質研究３．
ポジトロニウム負イオンの光脱離を用いた
ポジトロニウムビーム科学の展開
3. Development of Positronium Beam Science
Using Photodetachment of Positronium Negative Ions
永 田 祐 吾，長 嶋 泰 之
NAGATA Yugo and NAGASHIMA Yasuyuki
東京理科大学理学部第二部物理学科（原稿受付：２
０
２
１年１
２月１
３日）

陽電子は電子と束縛してポジトロニウムを形成する．ポジトロニウムの生成はさほど難しくないが，電気的に中性であるため加速や制御ができず，汎用性の高いエネルギー可変ビームにすることは容易ではなかった．近年，ポジトロニウムにもうひとつの電子が束縛したポジトロニウム負イオンを効率よく生成することが可能になり，これを電場で加速した後に光脱離によって電子を取り除いてエネルギー可変ポジトロニウムビームを生成する手法が開発された．光脱離を効率よく行うにはポジトロニウム負イオンをパルス状に生成することが必要で，そのために陽電子の閉じ込め技術が用いられる．ここではその概要とポジトロニウムビームの応用研究について解説する．
Keywords:
positron, slow positron beam, positronium, positronium beam, positronium negative ion, positron trap, photodetachment

３．
１ はじめにられる．ただしこの方法では，ビーム強度が低くなり，エ電子の反粒子である陽電子は，電子と束縛してポジトロ

ネルギーは比較的低い領域に限られ，しかも気体を用いるニウム（以下 Ps と略す）と呼ばれる水素原子様の束縛状態

ため超高真空中で得ることは難しいなどの問題があり，応を形成する［１，２］．Ps は陽電子と電子のスピンが関係して，用実験では用途が限られてしまう．

それ自身，興味深い性質をもつ魅力的な系である．例えば

近年，Ps に，さらにもうひとつの電子が束縛したポジト

合成スピンが１の場合（スピン３重項状態）と０の場合

ロニウム負イオン（Ps−）を効率よく生成することが可能に（１重項状態）とでは寿命が１０００倍も異なる．両者のエネルなった［４‐６］．Ps−は負の電荷をもつため電場で加速するこ

ギーにもわずかな差があり（超微細構造），Ps の寿命や超とが可能であるうえに，レーザー光で照射すれば電子１個

微細構造の精密測定は量子電磁気学の検証として利用されを取り除いて Ps にすることができる．この方法を使えば，てきた．その一方で，水素原子よりも３桁も軽く，最も軽エネルギー可変 Ps ビームの生成が可能となる．

い中性原子として物質と特有の相互作用をする．さらに，

しかし Ps−の寿命は 479 ps ときわめて短いため，効率よ

電子や陽電子を中性化した粒子とみなすこともでき，電子

く光脱離させるためには，高強度のパルスレーザーが必要

線や低速陽電子ビームで得られてきた様々な研究を Psとなる．この場合，Ps−もレーザーと同期したパルス状にビームに置き換えて行うことによって，これまでに知られしなければならず，パルス状陽電子ビームが必要である．

ていなかった物質の新たな側面を見ることができる．

パルス状陽電子ビームは，線形加速器を用いて得ること

数keV以下のエネルギーの陽電子を真空中で固体に入射が可能である．電子を加速して重金属に打ち込み，発生す

すると，表 面 か ら Ps が 数 eV の エ ネ ル ギ ー で 放 出 さ れる制動放射の対生成を利用して陽電子を生成し，これを減る．しかし電気的に中性であるため，いったん生成された

速すれば低速陽電子ビームが得られる．加速器では電子は後にはエネルギーや軌道の制御ができない．こうした理由

パルス状に加速されるため，生成される陽電子も，したから，Ps ビームの生成では，真空装置内に気体槽を設置がって得られる低速陽電子ビームもパルス状となる．しかし，あらかじめ加速した低速陽電子ビームを気体に入射ししこの場合は加速器を用いなければならず，それ相当の設て気体分子と相互作用させ，電荷交換反応で生成された Ps

備が必要である．陽電子をパルス化するもう一つの方法とを利用する方法が用いられてきた［３］．気体が希薄であれ

して，線源から放出された陽電子を減速して磁場と電場でば，生成されたPsは気体分子と衝突することなくそのまま閉じ込めて（Penning-Malmberg trap），そこからパルス状のエネルギーで出てくるため，単色性の高いPsビームが得に引き出す方法がある［７，８］．この方法では加速器のよう

Department of Physics, Tokyo University of Science, Shinjuku, TOKYO 162-8601, Japancorresponding author’s e-mail: ynaga@rs.tus.ac.jp

１７９!2022 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.4 April 2022

な大きな設備は不要で，比較的簡単にパルス状低速陽電子

以外にネオンなどの希ガス固体が用いられることもある

ビームを取り出し，光脱離によってPsビームを生成するこ［９］．希ガス固体中における陽電子のエネルギー準位は真とが可能である．

空準位よりも低いため，完全に熱化すると表面からは再放

この講座では，エネルギー可変Psビーム生成の歴史を振出しない．しかし希ガス中での陽電子の減速は遅いので，り返るとともに，Ps−の光脱離によるエネルギー可変 Ps

冷却した線源に希ガスを吹き付けて厚さを制御し，熱化すビーム生成法と，それを用いた応用研究について述べる．

る前の陽電子が表面から放出できる厚さにすることが可能である．この方法で得られる低速陽電子のエネルギー幅は

３．
２ 陽電子，ポジトロニウム，ポジトロニウム負イオン

金属を用いる場合と比べて広いが，低速陽電子の数は１桁以上大きくすることができる．ただし希ガス固体の特性は−時間とともに劣化するため，数日に１度作り直す必要があ

陽電子や Ps，Ps について簡単に述べる．
３．
２．
１ 陽電子

る．

陽電子は電子と対消滅して，通常は２本の $線を放出す

こうして得られる低速陽電子ビームは，陽電子プラズマ

る．重心系では $線のエネルギーは &$"である．ここでの研究や原子分子との散乱，反物質の合成，固体に入射し& は 電 子 の 静 止 質 量，$は 真 空 中 に お け る 光 速 度 で，て表面の物性を調べる研究などで精力的に利用されてい"&$ #511 keV である．陽電子を物質に入射すると電子と対消滅して $線になるが，その消滅率は

る．
３．
２．
２ ポジトロニウム（Ps）
陽電子は電子と束縛して Ps を形成することがある．Ps

"
%#&'
$
'
!

は水素原子様の束縛状態であり，量子力学的には軌道部分と書くことができる．ここで '!は古典電子半径，すなわちを水素原子と同様に球面調和関数やラゲールの陪多項式を用いて記述することができる．ただし換算質量は水素原子

"
"
−15
m
'
&#
$
!#%!
!&$ #2.818×10の場合はほぼ電子の静止質量に等しいのに対し，Ps では電である．#!は真空の誘電率，'は電子の数密度である．%

子質量の 1/2 であるため，基底状態では束縛エネルギーはの逆数は陽電子の平均寿命（単に陽電子寿命と呼ぶ）であ

水素原子の 1/2 の 6.80 eV である．水素原子の場合，陽子とる．金属中では陽電子寿命は 100 ps 程度となる．この寿命#!!
"（#!はボー電子の間の距離の期待値は基底状態では #の間に陽電子は様々な振る舞いをする．まず，金属中で数ア半径）であるのに対し，Ps 中の電子と陽電子の距離の期

ps のうちに熱化し，その後金属中を熱的に拡散する．金属#!である．これらの電子と陽電子は短
待値はその２倍の #中に空孔型格子欠陥があれば，そこに捕捉された後に対消い寿命で対消滅し（これを自己消滅と呼ぶ），$線になる．

滅する．金属への入射 エ ネ ル ギ ー が 数 keV 以 下 であれ

Ps の面白さはスピンによって増長される．Ps はスピン

ば，陽電子は熱的に運動する間に表面に到達し，表面から1/2 の２粒子系であり，全スピン１（３重項状態）と０（１

再放出したり表面にトラップされたり，あるいは表面の伝重項状態）からなる．前者（ortho-Ps）は，基底状態では導電子と束縛してポジトロニウムとして放出されたりす

142 ns の寿命を持つのに対し，後者（para-Ps）の寿命はる．このように，陽電子がその寿命の間に引き起こす現象

125 ps で，３桁も短い．ortho-Ps と para-Ps のエネルギーにが，陽電子消滅の研究対象となる．

は わ ず か な 差（超 微 細 構 造）が あ り，ortho-Ps の 方 が陽電子の生成には，22Na などの放射性同位元素の "" 崩8.4×10−4 eV だけ高い．また Ps には水素原子と同様に多数の励起状態が存在する．

壊や高エネルギー光子の対生成が用いられる．前者では線源があれば陽電子を得ることができるため，比較的簡単にこのように Ps は短い寿命を持つ準安定な状態であるが，実験が可能である．後者では高エネルギー光子を得るため束縛している間は中性原子として振る舞い，最も軽い中性に線形加速器や原子炉のような実験施設が必要であるが，原子とみなすことができる．また，電子あるいは陽電子を放射性同位元素を用いる場合よりも高強度の陽電子源とな中性化した粒子とみなしてもよいだろう．

る．このような施設は国内では高エネルギー加速器研究機

加熱して格子欠陥を除去し表面を清浄化した金属に低速構や産総研，京大複合原子力科学研究所，国外ではミュン

陽電子ビームを入射すると，表面から Ps が放出される．そ

ヘン工科大等に設置されている．

の生成率は一般に１０％のオーダーである．またPsは陽電子

これらのプロセスで得られる陽電子は，数 100 keV あると気体分子との衝突でも生成される．陽電子の入射エネル

いはそれ以上の高いエネルギーを有する．これを減速材とギーを "' ，気体分子のイオン化エネルギーを !%とすれば，呼ばれる物質に入射すると，表面から数 eV になって再放衝突で生成される Ps のエネルギーは"出される．減速材にはタングステンなどの金属が使われる"&(#"' !!%"6.80 eV"ことが多い．陽電子はこれらの金属中で熱化するが，バル
ク中でのエネルギー準位は真空準位よりも数 eV 高くなるである．そこで，ビーム装置内にアルゴンなどの希薄な気ため，陽電子は準位の差のエネルギーを持って表面から再体槽を置いてそこに低速陽電子ビームを入射すると，下流放出される．これを加速すれば，単色の陽電子ビームを得側にエネルギー可変Psビームが得られる．この方式によるることが可能で，このようにいったん減速して得られる

Ps ビ ー ム は University College London の Laricchia の グ

ビームを低速陽電子ビームと呼んでいる．減速材には金属

ループによって用いられており（図１），1−400 eV のエネ
１８０Lecture Note

3. Development of Positronium Beam Science Using Photodetachment of Positronium Negative Ions

Y. Nagata andY. Nagashima

ルギーのビームが得られている［３，１０］．彼らはビーム装置

同時に束縛し，Ps−が生成されると考えられる．したがっ内にもう一つの気体槽を挿入して Ps と気体分子の衝突実て，下流面に到達した陽電子は Ps−が生成される条件を満験を行っている．特に近年，Ps−気体分子の散乱の全断面

たすエネルギーを有している必要がある．それに対してタ積が，同じ速度を有する電子−気体分子散乱の断面積と同ングステン表面では，熱化した陽電子も伝導電子と Ps−を程度であり，陽電子による散乱断面積とは異なるとの結果形成し真空中に飛び出すことが可能であることが次の議論を得ており，注目を集めている［１１］．

から分かる．

このようにして得られるPsビームは，気体を用いて生成

金属中での陽電子のポテンシャルエネルギーは，原子核するため，超高真空が必要な固体表面の実験には不向きでからの反発により高くなる効果と伝導電子が集まってくる

ある．また槽中の気体数密度を上げることができないためことによって下がる効果，それに表面電気二重層による効Psビーム強度を上げられないことや，Psのエネルギー領域

果によって決まる．この結果，多くの金属中で陽電子のエが 1 eV から 400 eV の領域に限られるなどの制限がある．

ネルギー準位は真空準位よりも高くなり，陽電子を真空中

３．
２．
３ ポジトロニウム負イオンに取り出すために要するエネルギーは負となる．すなわちポジトロニウム負イオン（Ps−）は，陽電子１個と電子「陽電子の仕事関数は負」であるということができる．陽電２個からなる水素負イオン類似の３体束縛状態である．た子の仕事関数を !"，電子の仕事関数を !! とすると，表面

だし水素負イオンと異なり，３個の粒子がすべて等しい質に到達した陽電子が電子２個を奪って Ps−として飛び出す−量を有するという特徴がある．Ps 中の陽電子と電子はために外から与えなければならないエネルギーは479 ps の寿命で対消滅し，２本の "線と電子１個が放出さ!"# #!""!
!!!!"#!!"#!

れる．原理的には１本の "線と電子１個が放出される消滅!

も起こるはずであるが，理論計算によればその確率は極めと書くことができる．ここで !"#は Ps の束縛エネルギーて小さい．また Ps と電子の間の束縛エネルギーはわずか（6.80 eV），!"# は Ps と 電 子 の 間 の 束 縛 エ ネ ル ギ ー

0.33 eV と計算されており，弱い束縛系といえる．

（0.33 eV）
である．!"# が負であれば，Ps−が表面から飛び

!

!

−

９４６年に Wheeler［１２］によって予Ps が存在することは１出すためにはエネルギーを外から与える必要はなく，Ps−

測された．その後，Ps−に関する理論的研究が数多く行わは自発的に放出されることになる．従来の研究で W（１００）れ，寿命や束縛エネルギーなどの高精度な計算結果が得らでは !! #4.63 eV，!" #−3.0 eV と報告されている．後者

れている．

は，タングステン中での陽電子のエネルギー準位が真空準

その一方で，実験的研究はわずかしか行われていなかっ位よりも 3 eV 高いことを意味する．これらの値を代入する

た．Ps−が最初に生成されたのは，Wheeler による予測かと !! は−0.9 eV となり，Ps−が表面から真空中に飛び出す

ら３５年を経た１９８１年のことである．Mills［１３］は，低速陽電ことを意味する．

子ビームを 470 eV のエネルギーで厚さ 4 nm のカーボン薄これを実証する実験が２００６年に東京理科大学で行われ膜に入射すると，下流面から Ps−が放出されることを発見た．図２に実験装置を示す［１８］．真空中を磁力線に巻き付した．これは重要な発見ではあったが，残念ながら Ps−のきながら 100 eV で輸送されてきた低速陽電子ビームが，接生成率は最大でも 0.028％ と低く，カーボン薄膜を用いる

地されたメッシュを通り抜けてタングステン標的に入射す−

方法ではこれ以上の生成率の向上が見込めないため，Psる．標的の電位は−3 kV で，陽電子の入射面から放出したの研究の進展はほとんど見られなかった．わずかに，Ps−

Ps−はメッシュとの電位差で加速されてメッシュを通り抜の消滅率の測定が数例行われたのみである［１４‐１７］．

け，すぐに消滅して "線を放出する．この時の "線のエネ

３．
２．
４ ポジトロニウム負イオンの高効率生成

ルギーを Ge 検出器で測定した．Ps−は 3 keV の運動エネル

カーボン薄膜を用いる生成法では，入射した陽電子は薄ギーを持っているため，放出した "線はそれに応じてドッ

膜中でエネルギーを徐々に失い，下流側の面に到達したとプラーシフトしており，それが "線のエネルギースペクト

きに残ったエネルギーで薄膜から電子２個をたたき出すとルに反映されるはずである．

図１

University College London に設置された Ps ビーム．低速陽電子と気体分子の電荷移行反応を利用して 1 − 400 eV の Ps ビームが生成される（参考文献［１０］の FIG.1 を引用.Copyright (2010) by the American Physical Society.）．

１８１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.4 April 2022

図２

タングステン表面に低速陽電子を入射して Ps−が放出される様子を調べるために使用された実験装置（参考文献［１８］の figure 1 を引用）．
図３

図３に，得られたエネルギースペクトルを示す．
（a）に得られた "線スペクトル．

は 542 keV にピークが見られるが，これが Ps−の消滅によって放出された "線によるもので，511 keV からのずれ

３．
２．
５ ポジトロニウム負イオンの光脱離実験生成された Ps−をレーザー光で照射すると，光脱離が起は，上述のドップラーシフトで説明できる．この実験に−よってタングステン表面から Ps が放出されることがわ

こる．Ps と電子の間の束縛エネルギーは 0.33 eV であるた

かった が，こ の ピ ー ク か ら 求 め ら れ る Ps−の 生 成 率 はめ，波長は 3.7 μm より短ければよい．ただし Ps−の寿命は0.006％であり，カーボン薄膜を用いた場合よりもさらに低479 ps と短いため，効率よく光脱離を引き起こすためにかった．

は，高強度レーザーが必要である．Nd:YAG レーザー光のところで，金属表面にアルカリ金属を蒸着すると，電子

基本波（波長 1064 nm，光子のエネルギーは 1.165 eV）ならに対する仕事関数がば十分な強度が得られる．ただしパルスレーザーであるた!! # !!!!

め，Ps−もパルス的に生成される必要があり，そのために（１）

レーザーと同期できるパルス状低速陽電子ビームが必要である．

と下がることが知られている［１９］．D は表面電気二重層のPs−の光脱離を観測する初めて実験が，高エネルギー加効果が低減することを示している．同様に陽電子に対する速器研究機構の低速陽電子実験施設（KEK SPF）で得られ仕事関数にも効果が現れ!" # !""!

る低速陽電子ビームを用いて行われた［２２，２３］．この施設（２）

では，ライナックで電子を 55 MeV まで加速してタンタルとなり増大する［２０］．! の前の−が＋に入れ替わっていに入射し，制動放射の対生成で生成された陽電子をタングるのは，電荷が逆だからである．これに伴う !!" の変化は，

ステンで減速し，試料まで磁場で輸送している．ライナッ! の効果が陽電子と電子１個で打ち消しあい，電子１個分

クでは電子がパルス状に加速されるため，得られる低速陽の効果が残り電子ビームもパルスビームとなる．特に短パルスモードで!

!!" # !!" !!
!

低速陽電子ビームを生成すると，陽電子のパルス幅は（３）!

10 ns，繰り返し周波数が 50 Hz となり，Nd:YAG レーザーとなる．すなわち !!" は低下し Ps−の生成に寄与する伝導光による Ps−の光脱離実験が可能となった．

!

電子が増えて Ps−の生成率が上昇する．実際にセシウムをパルスレーザーと同期した低速陽電子ビームを得るもう

0.3 原子層程度蒸着して測定したところ，Ps−の生成率が２ひとつの方法として，次に述べる Surko トラップによる陽桁も上昇した（図３（b））［４］．

電子の閉じ込めを利用する方法がある．

しかし，セシウムは化学的な反応性が高く，超高真空中

３．
３ Surko トラップの僅かな残留気体と反応を起こしてしまい，半日程度のう
ちに Ps−の生成量が低下する．セシウムの代わりにセシウ

UC San Diego の Clifford Surko らは，陽電子を磁場と電ムよりも反応性が低いアルカリ金属であるナトリウムを蒸場で閉じ込める技術を開発し，陽電子と気体分子の束縛状

着すると，Ps−の最大生成率は 1.9％ で数日間にわたって態に関する種々の研究に利用している［７，８，２４］．この技術

Ps−が放出され続ける［２１］．

は反水素の合成実験にも利用されている［２５］．
１８２Lecture Note

3. Development of Positronium Beam Science Using Photodetachment of Positronium Negative Ions

図４に Surko らが開発した陽電子トラップの概念図を示

Y. Nagata andY. Nagashima

達する．

す［７］．中心軸に沿って 0.05 T ほどの磁場がかけられておこの配置では，低速陽電子ビームの入射経路とPsビーム

り，陽電子は軸と垂直方向には広がらないようになっていの軌道が重なってしまうため，Ps ビームを入射する試料をる．また全体には図に曲線で示す電位 V が与えられてい光脱離の地点から離れた位置に置く必要がある．その位置る．蓄積装置には僅かな窒素ガスが入れられており，そのではPsビームが広がりを持ってしまう．このためこの装置

圧力は，領域Ⅰよりも領域!の方が，更に領域"の方が低ではPsビームを試料に入射する実験は行われなかった．代

くなっている．ここに入射した低速陽電子は領域Ⅰで窒素わりにレーザー光の波長を振って光脱離で生成される Ps

分子との衝突でエネルギーを失い，さらに領域!，領域"数の波長依存性を調べることによって，Ps−の形状共鳴をでエネルギーを失ってポテンシャル井戸に落ち込んで閉じ観測する実験に用いた［２８］．

込められる．トラップの効率は２０％程度で，トラップされ入射陽電子の経路と Ps ビームの軌道の重なりをなくす

た陽電子の寿命は１s 程度である．同様の溜め込み装置をために，第２世代の Ps ビームの開発を行った［２９］．このもう一台用意し，もっと低い圧力の窒素ガスを導入して１ビーム装置は，東京理科大学に設置した．その装置を図６

台目のトラップから引き出された陽電子を閉じ込めると，に示す．陽電子は22Na 密封線源から放出される．線源カプ

その寿命を長くすることが可能で，数 100 s 間も閉じ込め

セルは 7 K に冷却され，Ne ガスを吹き付けてカプセルの陽ることが可能となる．

電子放出窓付近に固体 Ne の膜が形成され，陽電子の減速トラップでは回転電場によって陽電子プラズマを圧縮す

材 と し て の 役 割 を 果 た す．陽 電 子 は 磁 場 で 輸 送 さ れ，ることができる．このようにしてトラップされた陽電子をSurko trap（黒色のタンク）に閉じ込められる．ここから陽パルス状に引き出せば，レーザーと同期した低速陽電子

電子をパルス状に引き出し，厚さ 100 nm のタングステン

ビームとして利用することが可能である．米国 の First

薄膜に入射する．薄膜の下流面にはナトリウムが蒸着されPoint Scientific Inc.は，２０１４年頃までこの陽電子トラップ装ており，そこから Ps−が放出される．これを電場で加速し置を製品化し販売していた［２６］が，現在では生産を停止しパルス状の Nd:YAG レーザー光で照射し，Ps ビームを得ている．

る．Ps ビームは最下流の遅延アノード付き MCP で検出され，位置情報が記録される．
この装置では Ps−の生成に薄膜タングステンを用いてい３．
４ ポジトロニウム負イオンの光脱離によるポ
ジトロニウムビーム生成

るため，陽電子の入射軌道と Ps−あるいは Ps ビームの軌道

図５に，２０１２年に KEK SPF に設置したエネルギー可変が重ならない．したがってPsビームの試料を光脱離位置近Ps ビーム装置［２７］を示す．この装置では，KEK SPF のライ
ナックで生成されるパルス状低速陽電子ビームを用いた．
陽電子ビームを磁場に沿って輸送し，ナトリウムを蒸着したタングステン標的（厚さ25 μm）に入射した．陽電子ビー
ムの入射と同じ面から放出される Ps−を電場で最大 5 keVまで加速し，その直後にレーザー光で照射してPsにして下流側に放出させた．Ps は Ps−のエネルギーの 2/3 の運動エ
ネルギーをもって，磁場の影響を受けずに直線状に飛び出す．Ps のうち寿命の長い o-Ps の多くは自己消滅する前に80 cm 下流に設置されたマイクロチャンネルプレートに到

図４

バッファーガス方式陽電子トラップ装置（Surko trap）の概念図（参考文献［７］の figure 9 を引用．Reproduced bypermission of IOP Publishing. All rights reserved.）
．

図５

１８３

KEK SPF に設置したエネルギー可変 Ps ビーム装置（参考文
献［２７］の FIG.1 を引用．Reprinted with the permission of
AIP Publishing.）．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.4 April 2022

図７（a）に，この磁場振幅を実現する磁石（多層磁気格子）の構造を示す．厚み 50 μm の炭素鋼箔と，厚み 40 μmの銅箔を交互に重ね，熱拡散接合した．そこにワイヤー放電加工で，炭素鋼箔と銅箔を貫通する方向に幅 45 μm のス
ロット穴を作成し，最後に SmCo 磁石で着磁した．周期磁場はスロット穴中に発生し，計算によると 0.1 T 程度の磁場振幅となり，上記の条件を満たすことができた．しかし，
図６周期磁場に加え，1 T 程度のバイアス磁場が発生し，Ps

東京理科大学に設置したエネルギー可変 Ps ビーム装置．左端のタンク内に設置された22Na線源から放出した陽電子を固体 Ne で減速し，それを中央の Surko trap に溜め込む．タ
ンク内には鉛シールドが配置され，線源からの "線が厳重にシールドされている．Surko trap から陽電子をパルス状に引き出し，下流側に置かれたタングステン薄膜（下流側に Na 蒸着）から Ps−を放出させて加速し，Nd:YAG レー
ザー光で光脱離させる．最下流（右端）には遅延アノード
付 MCP が設置されており，o-Ps が検出され，その到達位置が記録される．

のエネルギー準位が磁場によって変化することになった．
実験では Ps（ortho-Ps）を多層磁気格子のスロット穴に通して Ps カウント数を測定した．Ortho-Ps が周期磁場によって para-Ps に遷移した場合，短寿命のため自己消滅し検出器に到達しない．したがって，Ps の速度を変化させながら測定すると，超微細構造遷移がPsカウント数の減少として観測できると期待される．測定結果を図７（b）に示す．
遷移周波数は 211.5±1.9 GHz となり，ゼロ磁場におけるくに位置に置くことができ，ビームが広がらない状態で Ps

203 GHz からシフトした結果が得られた．多層磁気格子のを入射することが可能である．

磁場の計算結果を用いて，シュレディンガー方程式から Psの遷移周波数を求めると，211.1 GHz であった．実験結果は

３．
５ ポジトロニウムビームを利用した研究

この値と不確かさの範囲で一致し，Ps の運動誘起共鳴の観以上のように，陽電子溜め込み装置を利用して，エネル

測がはじめて実現されたことを示している［３１］．

ギー可変Psビームを生成することが可能になった．この装３．
５．
２ ポジトロニウム負イオンの束縛エネルギーの測定置を利用して，Ps の運動誘起共鳴の観測，および Ps と電子

すでに述べたように，Ps と電子の間の束縛エネルギーはの束縛エネルギーの測定を行っている．

理論計算によれば〜0.33 eVである．この束縛エネルギーは

３．
５．
１ ポジトロニウムの運動誘起共鳴１９４６年に Wheeler が Ps−の存在を予測して以来，数多くの原子やイオンにマイクロ波やレーザー光などの電磁波を

高 精 度 な 理 論 計 算 が 報 告 さ れ て い る．代 表 的 な も の照射すると，電子の励起や脱励起などの遷移が起こる．電は，２００５年に発表された Drake ら［３２］による変分法による磁波を照射する代わりに，原子に静的な周期場中を透過さ計算である．彼らは非相対論的な値を１９桁の精度で求め，せると，その重心系において，原子は時間的に振動する場

さらにスピンや相対論効果，QEDの効果による補正項の計を受ける．その振動周波数は，原子の速度を #，場の周期長算を行い，326.021 01(2) meV という結果を得ている．

!となり，電磁波で照射した場合と同様のを!とすると，#!

満汐ら［３３］は，図６に示すPsビーム装置を用いて束縛エ現象が起こる．すなわち "をプランク定数として "#!
!が遷

ネルギーを測定した．この測定では，Ps−の光脱離のため

移エネルギーに等しい場合に遷移が起こる［３０］．この現象のレーザー光に OPO/OPA レーザーシステムを用い，波長はコヒーレント共鳴励起，あるいはオコルコフ効果と呼ばれるが，ここでは運動誘起共鳴と呼ぶことにする．この現
象は Ps のようなエキゾチック原子でも起こるはずであるが，それを実証した例はなかった．そこで，これを調べる
実験を，Ps ビームを用いて行った．
観測を試みた遷移は ortho-Ps と para-Ps の状態間（超微細構造）で，周波数にして 203 GHz，テラヘルツ波帯にある．この周波数帯での運動誘起共鳴の観測例は無く，この点でも興味深い実験となった．
超微細構造の遷移は，主量子数の変わらないスピン反転の遷移であるため，スピンと相互作用できる周期磁場によって効率よく遷移させることができる．どのような周期磁場が必要か，Ps の典型的な速度を 1.8×107 m/s とすると，周期磁場の周期長は 90 μm となる．これを１０周期にしたとしても，磁場と相互作用する時間は 50 ps と短い．遷移に必要な磁場振幅の強度を遷移確率から計算すると，0.1 T程度が必要であった．運動誘起共鳴で使用されてきた従来の周期磁場の振幅は 1 mT 程度であったので，強力な磁石

図７ （a）
多層磁気格子の構造（b）
Ps カウント数の周波数依存性の実験結果（参考文献［３１］の FIG.2 および FIG.5 を引用）．

を設計する必要があった．
１８４

Lecture Note

3. Development of Positronium Beam Science Using Photodetachment of Positronium Negative Ions

Y. Nagata andY. Nagashima!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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た．この波長の閾値をエネルギーに直すと!! !326.88±0.09(stat)±0.10(syst) meVとなった．この値は上述の Drake らによる理論値とずれている．これは実験では Ps−が ortho-Ps と電子に乖離する様子を見ているため得られた束縛エネルギーが ortho-Ps と電子の間の束縛エネルギーであるのに対し，Drake らの計算
は para-Ps と電子の束縛エネルギーとなっているためである．Drake らの値に超微細構造 0.84 meV を加えると不確かさの範囲で測定値と一致する．Wheeler による予測から７４年を経て初めて，Ps と電子の間の束縛エネルギーが測定された．

３．
６ 今後の展望以上のようにして生成されたエネルギー可変 Ps ビーム
は，今後様々な応用研究に利用できると考えられる．まず一つは Ps の量子干渉実験，あるいは回折実験である．Psの量子干渉実験はこれまでに実現された例はなく，その実現が待たれている．Ps の回折像の観測が可能になれば，固体最表面の構造解析に利用できると考えられる．近年，低速陽電子ビームを用いた固体表面の構造解析が可能となり，表面第１層，第２層，第３層，… の詳細な構造が得られるようになっている［３４］．この手法に Ps を利用すると，電気的に中性であることを生かして，磁性体などの表面の構造解析も可能になるかもしれない．

ゆうご

東京理科大学理学部第二部講師．研究分野
は原子物理，放射線物理．反粒子を用いた基礎物理研究を行っている．

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た

なが

しま

やす

ゆき

長 嶋 泰 之東京理科大学理学部第二部教授．陽電子を用いた原子衝突に関する実験物理の研究を行っている．

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なが

永 田 祐 吾!!!!!!!!!!

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参考文献!!!!!!!!!!

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を走査して ortho-Ps が生成される閾値における波長を求め

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