Positronium (Ps) is a bound state of the electron (e-) and the positron (e+). Since Ps is effectively free from hadronic and weak interaction effects, Ps is considered to be the best probe to study the bound state nature of Quantum ElectroDynamics (QED). The spin triplet state of Ps, ortho-positronium (o-Ps) has the long lifetime of about 142ns and is suitable for the precision test of the bound state QED. The precision measurement of the o-Ps decay rate has reached the level of O(α2) correction of about 240ppm. To test the O(α2) correction term with higher accuracy, the new measurement is performed.

The features of the new measurement are as follows.

・ The setup is newly constructed on the base of the fast inorganic scintillator YAP.

・ The positronium formation assembly and the trigger system are totally refined.

・ The Monte Carlo simulation is made on the base of the Geant4 package. The detector specific nature is also reproduced.

　In the measurement, the two types of silica (SiO2) material are used as the positron target. One is silica aerogel. The other is silica powder. The following results are obtained.

・ The systematic increase near T0 (t=0) is understood and solved.

・ Other systematic errors such as the energy window dependence and the uncertainty of the detection efficiency are highly suppressed.

・ The results of the two measurements (aerogel and powder) are consistent with each other, even though they have the totally different pick-off ratios (annihilation on target material / o-Ps 3γdecay).

・ The combined result achieves the total error of about 150ppm. The measured decay rate is consistent with the theoretical QED prediction and the recent measurements from 1995.

The combined result:λ(o-Ps)=7.0401±0.0006(stat.)(+0.0007)(-0.0009)(sys.)μs(-1)

In addition, the world average of the recent four measurements is in good agreement with the O(α2)-corrected QED prediction and differs from the QED prediction without O(α2) correction by 2.6σ. Then one can conclude that the measured decay rate favors the O(α2)-corrected QED prediction rather than that of O(α) correction.

　本論文はオルソポジトロニウムの崩壊率を精密に測定した物である。ポジトロニウムは電子と陽電子の束縛状態であり、束縛状態でのQED(量子電磁気学)のテストを、ハドロン相互作用、弱い相互作用に影響を受けずに行うことができる。スピン3重項であるオルソポジトロニウムは142nsという長い寿命を持つが、その値の計算は最近になってやっとアルファーの2次の補正まで行われるようになった。しかし、その実験的な検証はまだ行われていない。本論文は新たに開発された高速信号を出すYAPシンチレータとゲルマニウム検出器を用い、ポジトロンを止めポシトロニウムは発生させるターゲットとして、シリカエアロジェルとシリカパウダーを用いた。オルソポジトロニウムの崩壊率測定において最も問題となることは、ポシトロニウムが物質中の電子と反応し、パラポジトロニウムになって早い崩壊をしてしまうことである(ピックオフ効果)。本論文では、ゲルマニウム検出器を用いて、このピックオフ効果の量と時間変化を精密に計り、それを補正して精密なオルソポジトロニウムの崩壊率を得た。異なるターゲットを用いた測定でも、統計的に一致する結果が得られており、それを統合すると150ppmの精度で測定することができた。この値は今まで世界で行われた測定のうちで最も精度のよいものである。近年、世界で行われた他の3つの実験と統合すると、アルファーの2次の補正まで考慮した計算結果と良く一致し、アルファー1次の補正のみを考慮した計算値とは2.6σレベルでずれている。これはアルファー2次の補正計算の正しさを支持するものである。

　論文は5章からなり、まず第1章ではオルソポジトロニウムの崩壊率の計算についてと過去の実験のレビューが書かれている。第2章では実験のセットアップ、データ収集システム、実験に用いたYAPシンチレータとゲルマニウム検出器のリスポンスについて詳しく書かれている。第3章では解析の詳細について書かれており、(1)それぞれの検出器をどのようにキャリブレーションしたか、(2)ゲルマニウム検出器を用いてどのようにピックオフ効果を求めたか、(3)イベントの選択方法、(4)系統誤差、について純に述べた後に、本論文での測定結果について述べている。第4章では、崩壊率曲線をフィットする際に以前の実験で問題となった初期値による違いがないかの議論、ターゲットの物質の違いによる結果の議論、そして理論との比較について書かれている。

　本論文の研究は提出者が実験装置の製作、データ取得、解析のすべてをおこなった物である。

　したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。