冷却フランシウム原子による電子の永久電気双極子能率探索

• Project/Area Number: 13J10612
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(実験)
• Research Institution: Tohoku University
• Research Fellow: 早水 友洋 東北大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 永久電気双極子能率 / 原子分光 / ラムゼー共鳴 / 電気双極子能率 / 基本対称性の破れ / フランシウム / レーザー冷却 / 磁気光学トラップ / 光双極子トラップ

Outline of Annual Research Achievements

レーザー冷却フランシウム（Fr）原子を用いた次世代電子電気双極子能率(EDM)探索の実験技術確立に向けて、昨年度のトラップ技術の開発に続き、本年度は測定技術を確立するための研究を行った。電子EDMの測定上限値更新に必要な1 μHzの周波数測定精度を可能とするため、原子の精密分光法であるラムゼー共鳴の開発を行った。
Frと化学的性質が同じである安定な87Rb原子を冷却し、基底状態の超微細構造間F = 1 ～ F = 2に6.8 GHzのマイクロ波を照射することで、ラムゼーフリンジを観測した。ここでは、磁気光学トラップ(MOT)によって冷却・蓄積されたRb原子を、トラップ光と四重極磁場を切ることで解放し、この冷却原子集団にポンピング光を入射してF = 1の状態に原子を揃え、20 μsのマイクロ波パルスを時間間隔Tで2回照射した。そのうえで、マイクロ波の照射前後のF = 2の原子によるプローブ光の吸収強度を観測した。結果、T = 300 μsでのラムゼーフリンジの観測に成功するとともに、Tを長くすることでフリンジ間隔が細くなり、周波数の分解能が向上する様子が観測された。今後、前年度に開発を行った光双極子力トラップ(ODT)と組み合わせることでTを伸ばし、さらなる周波数分解能向上を目指す。
さらに2年間の開発を通じて得られたパラメータをもとに、210Fr原子をODTで捕獲しながらEDM測定を行った場合に生じると予測される系統誤差について定量的な計算を行った。この結果、この測定系における特徴的な問題として、ODTのレーザー光に起因するACシュタルクシフトの偏光の揺らぎと、捕獲された冷却原子同士の衝突シフトの不確かさが、実験の系統誤差に影響することを示した。
このように冷却原子を用いたEDM探索に必要な測定技術を開発し、様々な系統誤差を具体的に見積もることで、研究を大きく進展させた。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Optical dipole trap towards the electron EDM search using francium atoms (2015)
  • Author(s): T. Hayamizu et al.
  • Journal Title: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms 2014 Volume: - Pages: 136-139
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Experimental search for the electron electric dipole moment with laser cooled francium atoms (2015)
  • Author(s): T. Inoue et al.
  • Journal Title: Hyperfine Interaction Volume: 231 Pages: 157-162
  • DOI: 10.1007/s10751-014-1100-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Laser Cooled Francium Factory for the Electron Electric Dipole Moment Search (2014)
  • Author(s): T. Hayamizu, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Inoue, TIshikawa, M. Itoh, T. Kato, H. Kawamura, T. Sato, S. Ando, T. Aoki, A. Uchlyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, TMurakami, H. S. Natarj, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 1 Pages: 013065-013065
  • DOI: 10.7566/jpscp.1.013065
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of the Measurement System for the Search of an Electric Dipole Moment of the Electron with Laser-Cooled Francium Atoms (2014)
  • Author(s): T. Inoue, S, Ando, T Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, T. Ishikawa, M. Itoh, K. Kato, T. Kato, H. Kawamura, H. S. Nataraj, T. Sato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Fumkawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Ybshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 66 Pages: 05008-05008
  • DOI: 10.1051/epjconf/20146605008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of francium atomic beam for the search of the electron electric dipole moment (2014)
  • Author(s): H, Kawamura, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, K. Kato, T. Kato, H. S. Nataraj, T. Sato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 66 Pages: 05009-05009
  • DOI: 10.1051/epjconf/20146605009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Search for a permanent EDM using laser cooled radioactive atom (2014)
  • Author(s): Tomoya Sato, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, et al.
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 66 Pages: 5019-5019
  • DOI: 10.1051/epjconf/20146605019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Radioactive ion beam transportation for the fundamental symmetry study with laser trapped atoms (2014)
  • Author(s): H. Arikawa, S. Ando, T. Aoki, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, H. Kawamura, K. Kato, T. Kato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, H. S. Nataraj, T. Sato, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: Rev. Sci. Instrum Volume: 85
  • DOI: 10.1063/1.4852218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser-cooled radioactive francium factory at CYRIC (2013)
  • Author(s): Hirokazu Kawamura, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, T. Kato, T. Sato, T. Aoki, T Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, H. S. Nataraj, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Ybshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: Nucl. Instr. Meth. B Volume: 317 Pages: 582-585
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2013.07.038
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電子EDM探索に向けた冷却原子を用いたラムゼーフリンジの観測 (2015)
  • Author(s): 早水友洋
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-21
• [Presentation] Optical dipole trap towards the electron EDM search using francium atom (2014)
  • Author(s): T. Havamizu, K. Harada, T. Aoki, S. Ezure, K. Kato, S. Ando, H. Arikawa, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, H. Kawamura, T. Aoki, A. Uchiyama, T. Furukawa , A. Hatakeyama, K. Hatanaka , K. Imai, T. Kato, T. Murakami, H. S. Nataraj, T. Sato , Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Organizer: 7^<th> International conference on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014)
  • Place of Presentation: 日本科学未来館(東京都江東区)
• [Presentation] フランシウムを用いた電子EDM探索のための光双極子トラップ (2014)
  • Author(s): 早水友洋, 原田健一, 江連咲紀, 青木貴稔, 川村広和, 井上壮志, 伊藤正俊, 加藤智洋, 佐藤智哉, 有川裕士, 安藤峻, 石川泰佑, 加藤浩, 青木隆宏, 内山愛子, 今井憲一, 清水康弘, Huliyar S, Nataraj, 畠山温, 畑中吉治, 古川武, 村上哲也, 吉田英智, 若狭智嗣, 酒見泰寛
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県秦野市)
  • Year and Date: 2014-03-28
• [Presentation] Laser cooledfrancium factory for the electron electric dipole moment search (2013)
  • Author(s): T. HayamiZu, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Inoue , T. Ishikawa, H. Kawamura , S. Ando, T. Aoki, K. Kato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Kato, T. Murakami, H. S. Nataraj, TSato, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Organizer: The 12^<th> Asia Pacific Physics Conference pf AAPPS (APPC 12)
  • Place of Presentation: 幕張メッセ(千葉県千葉市)
  • Year and Date: 2013-07-16
• [Presentation] Toward the electron EDM search using laser cooled francium atom (2013)
  • Author(s): T. Hayamizu, K. Harada, H. Kawamura, T. Sato, S. Ezure, H. Arikawa, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, T. Kato, H. S. Nataraj, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Organizer: The 22nd International Conference on Laser Spectroscopy (ICOLS2013)
  • Place of Presentation: アメリカ、バークレー市
  • Year and Date: 2013-06-10