世界初、ポジトロニウム負イオンの光脱離に成功

物質の表面分析や基礎研究のための新しい技術 エネルギー可変ポジトロニウムビームの生成が可能に

1．背景

通常は、世の中でもっとも軽い原子は水素原子であると考えられていますが、電子と電子の反粒子である陽電子が束縛しあった、「ポジトロニウム」と呼ばれる、さらに軽い「原子」が形成されることもあります。ポジトロニウムの質量は、水素原子の900分の1程度しかありません。生成されてもいつまでも安定に存在するわけではなく、142ナノ秒(ナノは10億分の1)あるいは0.125ナノ秒の寿命で陽電子と電子が粒子・反粒子対消滅を起こしてγ線になる、「自己消滅」と呼ばれる現象を起こします。これらの寿命は人間の感覚では極めて短いものですが、その間にポジトロニウムは原子として様々な振る舞いをします。

ポジトロニウムは、さらにもう1個の電子と束縛してポジトロニウム負イオンを作ることもあります。ポジトロニウム負イオンは質量が全く等しい3個の粒子からなる珍しい束縛状態(複合粒子)です。このため、その存在が1946年に予言されて以来、数多くの理論的研究が行われてきました。1981年にＡ.ミルズ(当時ベル研究所)が存在を実験的に確認しましたが、そのような束縛状態はポジトロニウム負イオン以外には実現されていません。ミルズの実験以来30年間、理論的研究はさらに進みましたが、実験はほとんど行なわれていませんでした。これは、ポジトロニウム負イオン自体を効率よく作る方法がなかったからです。ポジトロニウム負イオンの研究を続けてきた東京理科大学の長嶋泰之教授のグループは2008年、ナトリウムを蒸着したタングステンターゲットに陽電子ビームを入射することにより、ポジトロニウム負イオンの大量生成に成功しました。

2．手法

ポジトロニウム負イオンの寿命は0.479ナノ秒しかありません。その短い寿命の間に効率よくレーザー光を照射するため、この実験では、高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所に設置されたパルス状陽電子ビームをナトリウム蒸着したタングステンターゲットに入射してこのイオンをパルス状にまとめて作り、それに同期をとった高強度のパルスレーザー光を照射するという特別な工夫が用いられました。さらに、ポジトロニウム負イオンを電場で加速して、その消滅によって生じたγ線のエネルギーをドップラー効果によって高エネルギーの方にずらし、他の陽電子の消滅によるγ線と区別する工夫もなされました。

3．成果

今回の研究成果は、ポジトロニウム負イオンの大量生成に続く重要なステップとして、ポジトロニウム負イオンにレーザー光を照射して、ポジトロニウムと電子に分離する「光脱離」に成功したものです(図1)。

図1

ポジトロニウム負イオンの光脱離

図2に、測定されたγ線のエネルギースペクトルを示します。511keVの大きなピークは、陽電子がタングステンターゲット中で対消滅して放出されたγ線によるものです。529keVのピークは、ポジトロニウム負イオンの自己消滅によって放出された2本のγ線のうちの1本が、ドップラー効果^※4によって511keVからこの値までずれたものです。レーザー光を照射すると、このピークが低くなります(図2右上に拡大図)。これは、ポジトロニウム負イオンが光脱離を起こしてポジトロニウムになったことを意味します。ポジトロニウムのうち75％は、3本のγ線に自己消滅し2本のγ線にはならないため、このピークには寄与しなくなります。このようにして、ポジトロニウム負イオンの光脱離が世界で初めて観測されました。さらにこの測定から光脱離の起こりやすさの指標である「断面積^※5」の下限値を得ることに成功し、従来の理論計算値と一致していることも確認できました。

図2

γ線エネルギースペクトル

(K. Michishio et al., Physical Review Letters, vol. 106より転載)

4．今後への期待

この成果によって、ポジトロニウム負イオンについてのさらに詳しい分光学的研究が可能であることが実証されました。また、ポジトロニウム負イオンを望みのエネルギーまで加速したのち光脱離させることによって、エネルギー可変ポジトロニウムビームの生成が可能になります。電子や陽電子はエネルギー可変ビームにして様々な場面で利用されているのに対して、ポジトロニウムを「探針」とする技術はエネルギーの制御が難しく、殆ど行われていませんでした。ポジトロニウム負イオンの光脱離によって得られるビームは、ポジトロニウムビームとしては未だ誰も手にしたことのないエネルギー領域をカバーし、これを利用して物質表面の分析やポジトロニウム自身の性質解明への道が拓けます。