原子物理実験研究室 ～研究紹介～ 我々の身の回りには様々な状態の原子・分子・イオンが存在します。 原子物理研究室では、原子・分子・イオンを自在に操作して その性質を詳細に調べています。 さらには、宇宙環境での原子衝突反応を実験室で再現するなど、 『原子』に関連した様々な事象の研究へ応用しています.

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1 原子物理実験研究室 ～研究紹介～ 我々の身の回りには様々な状態の原子・分子・イオンが存在します。 原子物理研究室では、原子・分子・イオンを自在に操作して その性質を詳細に調べています。 さらには、宇宙環境での原子衝突反応を実験室で再現するなど、 『原子』に関連した様々な事象の研究へ応用しています

2 原子物理実験研究室 田沼 肇 准教授 (1992 年 1 月〜 ) 東 俊行 理化学研究所・主任研究員 連携大学院客員教授 (2010 年 3 月まで本学教授 ) 古川 武 助教 (2011 年 9 月〜 ) 客員研究員 : 計 14 名 ・渡部 力 ( 元 理研主任研究員 ) ・長田 哲夫 ( 元 明星大教授 ) ・奥野 和彦 ( 元 本学教授 ) ・島村 勲 ( 理研・研究嘱託 ) ・間嶋 拓也 ( 京大・工・助教 ) ・中野 祐司 ( 理研・研究員） 他，理研・研究員 /PD が多数 ・西出 龍弘 ( 理研計器・研究員 ) 学生 (H23 年度 ) ：計 9 名 D3x1, M2x3, M1x3, B4x2

3 本日のお品書き 原子物理実験は何をやるところ？ 原子物理実験研究室の研究紹介 - イオン蓄積リング - 極低温イオン移動管 - 多価イオン生成用ＥＣＲイオン源 - コヒーレント共鳴励起 @ シンクロトロン加速器 原子物理実験での卒業研究

4 『原子物理実験研究』て何？ 簡単にいうと … 原子・分子の状態を制御 / 操作して その反応や挙動を調べています ～原子・分子の状態制御？～ - レーザー光 ( 光子 ) を当てて励起 - 原子同士を衝突 - 電子をはぎ取る などなど …

5 原子物理学とは？ -Wikipedia は間違っている！ - ・原子物理学は原子を対象とする物理である。 → 分子やクラスターも研究対象 ・原子を複数の電子とひとつの原子核からなる 系 を考える。原子物理学の問題は突き詰めれば こ の系における一つ一つの電子のエネルギー状 態を求める問題である。 → 独立な粒子と考えるのは近似的モデル ・原子間の相互作用や原子核の構造については 研究の対象外である。 → 相互作用や衝突の研究 ＞ 原子構造の研 究

6 研究テーマ ～様々な（ほとんどありとあらゆる）イオン衝突実験 ～ イオンの種類： ほとんど裸の多価イオンから巨大生体分子イオンまで 標的： 光子，電子，原子，分子，表面，結晶 衝突エネルギー (= 温度 ) ： GeV (10 9 eV ≒ 10 兆℃ ) から meV (10 -3 eV ≒ － 270 ℃ ) まで 目的： 研究プロジェクトによって様々 伝統的な原子物理だけでなく，宇宙物理，核融合， 産業応用も。さらには，素粒子物理まで・・・ 原子物理実験研究室 6

7 あらゆる原子の状態を研究する 多価 1 価 / 負イオン 高速 低速 極限環境の原子反応を実験室で再現 - 太陽風の衝突反応 - 核融合炉内プラズマ - 冷却分子の挙動をとらえ る 世界初の装置 - 宇宙空間の分子合成を 実験室で再現可能 - 原子 / 分子を用いた素粒子理論の検証にも … 未知粒子？ 未知の相互作用？ 静電場でイオンをぐるぐる回して閉じ込め - 極低温環境でのイオン衝突 - 毒ガス検出など応用も …

8 C クラスター負イオンの寿命測定 星間分子イオンの起源解明 ＊実験室にて星間分子イオン反応を再 現 原子の性質から科学を切り開く ・ C, N, O, … 多価イオン 宇宙での太陽風の荷電交換 『宇宙空間における原子 反応』 ＊実験室にて太陽風の反応を再現 ↑ 絵の差替必要！！ 核融合研 HP から勝手に拝借 ↓ 絵の差替必要！！ JAXA の HP から勝手に拝借 タングステン多価イオンなど 核融合炉内部のプラズマ状 態 ＊実験室にて内部プラズマ挙動を再現 写真提供： NASA, NOAO, ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) 極性分子イオン内の電子状態 素粒子の基礎対称性の破れを 検証 『標準理論』を超える物理の 探索 ＊実験室にて加速器を用いず素粒子研 究 ++ - -- - 電子 内部に電荷の偏り？

9 この中をイオンがぐるぐる回ります → レーザー / 原子ビームとぶつけて イオンの挙動を調べる E-Ring ( 静電型イオン蓄積リン グ ) ・磁場を使わず静電場だけでイオンを周回させて蓄積 ・世界初の冷却機構つき静電リング：冷却分子の蓄積が可能

10 周回軌道の長さ = 7.736 m イオンの運動エネルギー = 10 – 30 keV 背景圧力 > 2 x 10 -9 Pa 液体窒素温度 (77K) まで冷却可能 E-Ring ( 静電型イオン蓄積リン グ )

11 「私の本来の興味は、原子や分子の基本的な性質です。原子や分子には、ま だよく分かっていないことが多いのです。例えば、宇宙で最初の水素分子が どのようにできたのか、そのメカニズムや合成の速度はまだ大きな謎です」 - RIKEN NEWS 2011 12 月号より E-Ring ( 静電型イオン蓄積リン グ )

12 Molecule mix with E appl rot. E eff = P E mol  10  100 GV/cm, P  1 with E appl  0.01 MV/cm (E appl is needed just for aligning molecule) E mol permanent dipole |J=0  |J=1  素粒子物理 / 基礎対称性の研究へ応用 極性分子： 分子内に巨大電場が存在 うまく分子を選ぶと、 『巨大電場中の自由電子』 を詳細に調べることができる ++ - -- - 巨大電場を利用して、電子の『電荷の偏り』を見る … 電子に電荷の偏りは存在すると思いますか？ 現代物理学『標準理論』では『ＮＯ！！』 … でも、これがないと 『宇宙の誕生』を説明できない 電荷の偏り：巨大電場中で電子の向きが変化 E-Ring ( 静電型イオン蓄積リン グ ) ～ ( 遠い ) 将来計画の一例～

13 Spin ++ - -- - particle EDM Time ++ - -- - particle 例えば… 粒子は、必ず “スピン向きに応じた電荷の偏り” を持つ、とすると… (そのような物理現象を仮定) 時間の進みを反転したとき 電荷の偏りが スピン向きに対して反転する 時間反転に対して、物理現象が変化 時間反転対称性 (T) の破れ ＝ CP 対称性の破れ (CPT 定理より ) 極性分子をリング内に蓄積して 精密に EDM を測定する新手法を検討中！ 近日、研究開始予定です。 電荷の偏り(EDM)の大きさが 新しい物理理論の存在を予言する 『小林・益川理論』を超えた物理現象 未知の粒子？ 未知の力？ E-Ring ( 静電型イオン蓄積リン グ )

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17 研究２『極低温イオン移動管』 低温状態でガス同士がぶつかると どのような反応が起きるのか？？ 低温状態 ＝ 衝突エネルギー小さい 実はよくわかっていないのです だったら測りましょう！

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21 ～最近の研究成果～ 研究２『極低温イオン移動管』 ・ He クラスター ・ OH- など分子イオン などなど？ 追記、必要！！

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23 研究３『ＥＣＲイオン源』 Electron Cyclotron Resonance Ion Source ( 電子サイクロトロン共鳴イオン源 ) ← 絵の差替必要！！ どこかの HP から勝手に拝 借

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25 ECR イオン源 多価イオンビーム 分析磁石 コース３ ( 化学グループ使用 ) コース１＆２ ( 物理グループ使用 )

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29 タングステンなど 核融合炉内部のプラズマ状 態 ＊実験室にて内部プラズマの反応を再 現 研究３『ＥＣＲイオン源』 ・ C, N, O, … 宇宙での太陽風の荷電交換 『宇宙空間における原子反 応』 ＊実験室にて太陽風の反応を再現 ↑ 絵の差替必要！！ 核融合研 HP から勝手に拝 借 ↑ 絵の差替必要！！ JAXA の HP から勝手に拝借

30 ～最近の研究成果～ ・ ESI での冷却分子導入 ・ C クラスター などなど？ 追記、必要！！ 研究３『ＥＣＲイオン源』

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34 居室では 取ったデータを転送 解析・議論 学生 最新鋭 コーヒー メーカー プリンタ PC ソファ（たまにベッド） 冷蔵庫 電子レンジ

35 卒業研究では何をする？ ～最近の卒業研究～ ・ 2011 年度 ( 予定 ) - 核融合炉内プラズマ診断をめざした タングステン多価イオンの荷電交換断面積測定 - ESI による冷却分子イオン導入用の八重極イオンガイド用 RF 電源開発 卒業研究から最前線の研究をめざし 研究・装置開発・実験を行います ・ 2010 年度 - 低温 He 気体中における OH+ および OD+ の移動度 - 静電型イオン蓄積リングを用いた C4- および C4H- の蓄積と分光 - 多価イオンビーム輸送のためのアインツェルレンズ作製

36 おわりに 原子・分子： 現代科学においてもっとも高精度な 実験研究が可能 原子・分子の精密な挙動を調べることで、 新たなサイエンスを切り開いています。 そのための装置をあれこれ作ってます。 ( かなり手作り、すべて自分たちで！ )

37 予備 予備トラぺ

38 研究室の生活 とある一日のスケジュール ( ちょっと忙しい日 ) 9:30 ～ 10:30 書類整理、メールチェック 10:30 ～ 12:00 研究室ミーティング 12:00 ～ 13:00 昼休み、ごはん 13:00 ～ 16:10 授業（学生実験） 16:10 ～ 16:30 コーヒータイム 16:30 ～ 19:30 研究・実験 19:30 ～ 20:30 夕食 20:30 ～ 21:30 メールチェック 21:30 帰宅 しばしば研究室で飲み会だったり、 外に遊びに行ったり …

39 『原子物理実験研究』の装置 ～原子・分子の状態を『制御』する装置～ 静電型イオン蓄積リング 静電場でイオンをぐるぐる回して閉じ込める 極低温イオン移動管（ドリフトチューブ） 4.2K の極低温ガス中にイオン入射 → 移動速度の測定 多価イオン発生装置（ ECR イオン源） 回りの電子が剥がれた『ほとんど裸』イオンを生成 ほかの原子との衝突を見る などなど …