最先端超伝導検出器で探るミュオン原子形成過程の全貌

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負ミュオン・電子・原子核の織り成すフェムト秒ダイナミクス

2021-07-26 理化学研究所,日本原子力研究開発機構,立教大学,東京都立大学,カスラー・ブロッセル研究所,筑波大学,東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構,高エネルギー加速器研究機構,J-PARC,中部大学

理化学研究所(理研)開拓研究本部東原子分子物理研究室の奥村拓馬特別研究員、東俊行主任研究員、岡田信二協力研究員(研究当時、現中部大学准教授)、日本原子力研究開発機構の橋本直研究員、立教大学の山田真也准教授、東京都立大学の竜野秀行客員研究員、カスラー・ブロッセル研究所のポール・インデリカート教授、筑波大学のトン・ショウミン准教授、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構の高橋忠幸教授、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の三宅康博特別教授らの国際共同研究グループは、最先端X線検出器である超伝導転移端マイクロカロリメータ(TES)[1]を用いて、「ミュオン原子[2]」から放出される「電子特性X線[3]」のエネルギースペクトルを精密に測定し、ミュオン原子形成過程のダイナミクスの全貌を明らかにしました。本研究成果は、負ミュオン[2]・電子・原子核から構成されるエキゾチック量子少数多体系[4]のダイナミクスという新たな研究分野の開拓につながると期待できます。

負ミュオンが金属の鉄の中に打ち込まれると、負ミュオンと鉄原子核で構成されるミュオン鉄原子が生成されます。今回、国際共同研究グループは宇宙X線観測などに向けて開発されてきたTESを大強度陽子加速器施設J-PARC物質・生命科学実験施設 MLF [5]に持ち込み、ミュオン鉄原子から放出される電子特性X線を精密測定しました。TES検出器の高いエネルギー分解能により、ミュオン鉄原子による電子特性X線のエネルギースペクトルが、1本の鋭いピークではなく、幅広い非対称な構造を持つことが分かりました。また、このスペクトル構造からミュオン原子形成過程における負ミュオン・束縛電子[6]のフェムト秒ダイナミクスの解明に成功しました。

本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』のEditors’ Suggestionに選ばれ、オンライン版(7月27日付)に掲載されます。

ミュオン原子脱励起過程のダイナミクス

背景

ミュオン(ミュー粒子)は、1930年代に宇宙線から発見された電子よりも約200倍重い素粒子です。現在は加速器で人工的に生成でき、ビームとして取り出すことで、さまざまな科学研究に用いられています。正または負の電荷を持つミュオンが存在しますが、負ミュオンは物質中では「重い電子」として振る舞います。原子は原子核とその周りを回る電子で構成されますが、原子核と一つの負ミュオンで「ミュオン原子」と呼ばれるエキゾチックな原子を作ることができます(図1)。

ミュオン原子の最大の特徴は、束縛ミュオン[6]の軌道半径が束縛電子の軌道半径の約200分の1であり、原子核に極めて接近していることです。これまでミュオン原子は、原子核の大きさの決定や基礎物理学の検証のために広く研究されてきました。

一つの負ミュオンが原子に近づくと、負ミュオンは初め、原子の励起準位[7]軌道に捕獲されます。続いて、原子内のたくさんの束縛電子を弾き飛ばしながら、励起準位から下の準位へ次々に脱励起[7]していきます。一方、負ミュオンにより生じた原子内の空の電子軌道は、上の準位の束縛電子や負ミュオンの周囲の媒質に含まれる電子により再充填されていきます(図1)。

ミュオン原子の形成では、負ミュオンや電子が関わるこれらの過程が、数十フェムト秒(fs、1 fsは1000兆分の1秒)という短い時間の間に立て続けに起こります。そのため、これまでミュオン原子形成過程のダイナミクスを捉える実験的手法は開発されておらず、具体的に負ミュオンがどのように移動し、それに伴い電子の配置や数がどのように変化していくのか、その全貌は分かっていませんでした。

図1 ミュオン原子脱励起過程のダイナミクス
負ミュオン(赤い球)が鉄原子に捕獲されカスケード脱励起する際に、たくさんの束縛電子(白い球)が放出された後、周囲より電子が再充填される。これに伴って、電子特性K-X線(オレンジ色の光線)が放出される。

研究手法と成果

国際共同研究グループは、脱励起の際にミュオン原子が放出する「電子特性X線」のエネルギーに着目しました。このエネルギーは、X線放出時のミュオン原子内の束縛電子の配置や数、さらにミュオン軌道などの状態を反映するため、電子特性X線のエネルギースペクトルを精密に測定できれば、その形状からミュオン原子形成過程のダイナミクスが分かります。

しかし、電子特性X線が持つエネルギーの数十電子ボルト(eV)程度の違いを測定したいのに対し、典型的なX線検出器である半導体検出器のエネルギー分解能は数千eVのX線に対して数百eVです。そのためこれまでは、数十電子ボルトの細かなピークを捉えることはできず、この分解能の不足により、電子特性X線のスペクトル形状の精密測定は困難でした。

そこで、宇宙X線観測などに向けて開発されてきた高分解能X線検出器の超伝導転移端マイクロカロリメータ(TES)を新たに導入し、金属の鉄を標的に負ミュオンを打ち込み、生成されたミュオン鉄原子から放出される電子特性X線を測定しました。実験は、世界最高強度の低速ミュオンビームを得ることができる、茨城県東海村の大強度陽子加速器施設J-PARCで行いました。

実験の結果、従来よりも1桁以上高いエネルギー分解能を実現し(半値幅[8]5.2 eV)、ミュオン鉄原子から放出される電子特性KαX線、KβX線[9]のスペクトルが、それぞれ200 eV程度の広がりを持つ非対称な形状であることを世界で初めて突き止めました(図2)。また、ハイパーサテライト(Khα)X線[9]と呼ばれる電子基底準位に2個穴が空いている場合に放出される電子特性X線も発見しました(図2)。

図2 超伝導転移端マイクロカロリメータにより測定したミュオン鉄原子のX線スペクトル
ミュオン鉄原子の電子特性X線は、鉄より原子番号が一つ小さいマンガン原子の電子特性X線のエネルギー位置に現れる。超伝導転移端マイクロカロリメータの高い分解能(5.2 eV)により、ミュオン鉄原子からの電子特性X線のスペクトル(KαX線、KhαX線、KβX線)が200 eV程度の幅を持つ非対称なピークになることを明らかにした。


時々刻々と変化していく束縛電子や束縛ミュオンの状態により、電子特性X線のエネルギーが変化し、それらが重なり合った結果、電子特性X線のスペクトルは幅広い非対称な構造を形成すると考えられます。ミュオン原子形成過程のダイナミクスを解明するために、多配置ディラック・フォック法[10]により各時刻における電子特性X線エネルギーを計算し、電子特性X線スペクトルをシミュレーションしました。実験結果のX線スペクトルの形状とシミュレーション結果を照らし合わせたところ、ミュオンは鉄原子に捕獲された後、30 fs程度でエネルギーの最も低い基底準位に到達することが分かりました(図3)。具体的には、最初の6 fsで鉄原子の全束縛電子26個のうち7~8個ほどは弾き飛ばされますが、周囲の鉄原子から比較的ゆっくりと再充填され、およそ30 fsで元の状態に戻ります。この再充填の速度は、実験結果との比較から0.35 fs-1である(つまり、ミュオン鉄原子への電子移動が2.9 fsに1回の割合で起こる)であることを突き止めました。

図3 ミュオン鉄原子形成過程のシミュレーション結果と実験結果の比較
ミュオン原子形成過程のシミュレーションにより得たX線スペクトルと実験結果の比較。シミュレーション結果は電子の再充填速度を0.35fs-1としたときの実験結果を見事に再現する。なお、左に見える鋭いピークはマンガン原子の電子特性K X線(KαX線、KβX線)によるもので、負ミュオンが最終的に原子核に捕獲されたときに生成する。

今後の期待

本研究では、最先端の検出器であるTES検出器を導入することで、ミュオン鉄原子から放出される電子特性X線のスペクトルを世界で初めて精密測定しました。そして得られたスペクトル形状を手掛かりに、これまで未知であったミュオン原子形成過程の全貌を解明しました。ミュオン原子形成過程はfsスケールの非常に速い現象であり、そのダイナミクスを捉えたのは本研究が初めてです。本成果は、ミュオン原子をはじめとしたエキゾチックな量子少数多体系のダイナミクスという、新たな研究分野の開拓に貢献するものと期待できます。

本手法は広い対象に適用が可能であり、ここから得られるさまざまな物質における電子充填速度は物質の物性に敏感なプローブになり得ると考えられます。今後は鉄以外の金属だけでなく、絶縁体などに適用することで、新たな物性研究プローブとしての可能性を探索したいと考えています。

また、ミュオン原子は極限環境下における基礎物理を検証する舞台として期待されていますが、その際ミュオン原子の束縛電子の有無や個数が実験精度を支配します。本研究により、ミュオン原子形成過程におけるこれらの時間変化が明らかになったことで、ミュオン原子を用いた実験精度の大きな向上が見込まれます。

論文情報

<タイトル>
De-excitation dynamics of muonic atoms revealed by high precision spectroscopy of electronic K x rays

<著者名>
Takuma Okumura, Toshiyuki Azuma, Douglas A. Bennett, Pietro Caradonna, I-Huan Chiu, William B. Doriese, Malcolm S. Durkin, Joseph W. Fowler, Johnathon D. Gard, Tadashi Hashimoto, Ryota Hayakawa, Gene C. Hilton, Yuto Ichinohe, Paul Indelicato, TadaAki Isobe, Sohtaro Kanda, Daiji Kato, Miho Katsuragawa, Naritoshi Kawamura, Yasushi Kino, Kenya M. Kubo, Kairi Mine, Yasuhiro Miyake, Kelsey M. Morgan, Kazuhiko Ninomiya, Hirofumi Noda, Galen C. O’Neil, Shinji Okada, Kenichi Okutsu, Takahito Osawa, Nancy Paul, Carl D. Reintsema, Dan R. Schmidt, Kouichiro Shimomura, Patrick Strasser, Hirotaka Suda, Daniel S. Swetz, Tadayuki Takahashi, Shinichiro Takeda, Soshi Takeshita, Motonobu Tampo, Hideyuki Tatsuno, Xiao-Min Tong, Yasuhiro Ueno, Joel N. Ullom, Shin Watanabe, and Shinya Yamada

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