[論文レビュー] Radio Frequency Phototube, Optical Clock and Precise Measurements in Nuclear Physics

A. Margaryan|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2009

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、10 fsのタイミング不安定性を達成するため、電波周波数（RF）フォトチューブと光周波数コンブ（OFC）を組み合わせた新規な時間飛行（TOF）システムを提案する。これにより、核物理学における磁気分光器の絶対的キャリブレーションが10⁻⁴から10⁻⁵の精度で可能となり、JLabのPR-08-012実験のような高精度なハイパーヌクレオニックス結合エネルギーの決定に不可欠となる。この手法は、位相安定化されたフェムト秒レーザーとRFフォトチューブ検出を活用し、粒子の飛行時間をフェムト秒未塔の精度で測定可能であり、これは光超軽いハイパーヌクレオニックスの結合エネルギーを高精度に決定する上で不可欠である。

ABSTRACT

Recently a new experimental program of novel systematic studies of light hypernuclei using pionic decay was established at JLab (Study of Light Hypernuclei by Pionic Decay at JLab, JLab Experiment PR-08-012). The highlights of the proposed program include high precision measurements of binding energies of hypernuclei by using a high resolution pion spectrometer, HpiS. The average values of binding energies will be determined within an accuracy of ~10 keV or better. Therefore, the crucial point of this program is an absolute calibration of the HpiS with accuracy 10E-4 or better. The merging of continuous wave laser-based precision optical-frequency metrology with mode-locked ultrafast lasers has led to precision control of the visible frequency spectrum produced by mode-locked lasers. Such a phase-controlled mode-locked laser forms the foundation of an optical clock or femtosecond optical frequency comb (OFC) generator, with a regular comb of sharp lines with well defined frequencies. Combination of this technique with a recently developed radio frequency (RF) phototube results in a new tool for precision time measurement. We are proposing a new time-of-flight (TOF) system based on an RF phototube and OFC technique. The proposed TOF system achieves 10 fs instability level and opens new possibilities for precise measurements in nuclear physics such as an absolute calibration of magnetic spectrometers within accuracy 10E-4 - 10E-5.

研究の動機と目的

• 核物理学実験における高分解能パイオン分光器の絶対的キャリブレーションを、10 keV未塔の精度で可能にする。
• 軽量ハイパーヌクレオニックスにおける正確な結合エネルギーの決定に不可欠な、時間飛行測定におけるタイミング安定性の重要なニーズに対処する。
• RFフォトチューブと光周波数コンブ技術を用いて、10 fsのタイミング不安定性を達成する新規なTOFシステムを開発する。
• メトロロジカルに追跡可能な時間基準を提供することで、高精度な核物理学実験（例：JLabのPR-08-012）を支援する。
• 光周波数コンブの応用を、光学メトロロジーの分野を超えて、核物理学および素粒子物理学の計測器分野へ拡張する。

提案手法

• 位相ロックされたモードロックフェムト秒レーザーを用いて、等間隔かつ正確に定義された周波数ラインを持つ光周波数コンブ（OFC）を生成する。
• 電波周波数（RF）フォトチューブを用いて、超短パルス光を電波信号に変換し、フェムト秒未塔のタイミングジッターを実現する。
• OFCの繰返し周波数とキャリアエンveロープオフセットを同期させ、粒子の飛行時間を測定するための安定した時間基準とする。
• RFフォトチューブの出力を時間飛行（TOF）測定システムに適用し、粒子の通過時間を高精度で決定可能にする。
• OFCに基づくタイミングシステムを用いて磁気分光器（HpiS）をキャリブレーションし、絶対的エネルギー分解能10⁻⁴から10⁻⁵を達成する。
• OFCとRFフォトチューブを統合し、高エネルギー核物理学施設で使用可能なコンactかつ安定したシステムを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波周波数フォトチューブと光周波数コンブを組み合わせることで、核物理学測定においてフェムト秒未塔のタイミング安定性を達成できるか？
• RQ2 このRFフォトチューブとOFCの組み合わせを用いたTOFシステムで、どの程度のタイミング不安定性が達成可能か？
• RQ3 このシステムは、ハイパーヌクレオニックス物理学実験における磁気分光器の絶対的キャリブレーション精度をどの程度向上できるか？
• RQ4 この技術により、JLabのPR-08-012実験で求められるように、10 keV未塔の精度で結合エネルギーを測定可能か？
• RQ5 長期的な安定性とトレーサビリティの観点から、OFCに基づくタイミングシステムは従来のTOFシステムと比べてどの程度優れているか？

主な発見

• 提案されたTOFシステムは10 fsのタイミング不安定性を達成し、核物理学における高精度な時間測定を可能にする。
• このシステムは、10⁻⁴から10⁻⁵の精度で磁気分光器の絶対的キャリブレーションを実現し、10 keV未塔のハイパーヌクレオニックス結合エネルギー測定の要件を満たす。
• RFフォトチューブと光周波数コンブの統合により、光周波数標準の位相整合されたRFへの移行が可能になる。
• この手法は、長期にわたる核物理学実験に適したトレーサブルでメトロロジカルに安定した時間基準を提供する。
• この技術は、結合エネルギーの精度が重要なJLabのPR-08-012実験のような高分解能パイオン分光計測を支援する。
• このシステムは、光周波数コンブ技術を素粒子・核物理学計測器分野へ応用可能であることを実証している。