冷却極性分子の量子操作による電子の永久電気双極子モーメント探索

• Project/Area Number: 20KK0068
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 増田 孝彦 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任准教授 (90733543)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉村 浩司 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (50272464) ; 植竹 智 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (80514778)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 冷却分子 / 電気双極子能率 / 光センサ / 電子EDM / 分子 / 対称性の破れ

Outline of Research at the Start

現在の素粒子物理学の最重要課題の一つである物質・反物質対称性の破れの原因となる新物理探索のため、電子の永久電気双極子モーメント(電子EDM)を世界最高感度で測定する。電子EDMの高感度計測はCP対称性を破る未知の重い素粒子の存在に感度を有する。本研究計画では、海外共同研究者の有するバッファガス冷却による極性分子ThOの量子状態の高精度制御技術と、主に本課題で開発する検出システムを組み合わせたテーブルトップ国際共同実験で、電子EDM測定の世界記録を現在の30倍更新し、CP対称性を破る新粒子の存在を探索する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は米国での現場作業が主な進捗となった。米国ノースウェスタン大学において検出器のインストール作業を進めている中で、真空度の安定性が悪いことが見受けられた。そのため真空システムの問題点の洗い出しを実施し、最終的に真空ポンプ自体の安定性が悪いことが判明した。真空ポンプにはスクロールポンプを使用していたが、複数試したところいずれでも到達真空度の不安定性が見られた。多段ルーツポンプに交換したところ不安定性は見られなくなったため、新たに多段ルーツポンプを導入することにした。
また、実験全体の電気配線の接続によっては、光検出器のベースラインノイズが非常に大きくなる場合があった。現地の共同研究者らと協力して、配線を一つ一つ確認し、適宜アイソレーションを施すことで、2023年終了時は問題ないレベルまでベースラインノイズを低減できている。
2023年度末にはノースウェスタン大学で初めてのThO分子ビームの取り出しに成功し、各種基礎評価を開始した。本実験ではThOのH準位を用いるが、2023年度末現在はまだQ準位での測定を行なっている。特に本課題で主に開発してきた光検出器を用いてビームからの蛍光観測を行い、設計通りの計数率の向上が得られていることが確認できた。一方で、光子数統計を超えるの過大誤差(excess noise)も特定の条件下で見受けられ、今後の原因究明と対策が必要であることもわかった。
並行して、国内では簡易な光学セットアップを組み、共振器の制御に用いる電子回路等の制御系の試作や評価を行った。また指導学生と協力して、ThO分子の内部量子状態とレーザーの相互作用のシミュレーションを実装した。特に重要となるレーザーの楕円偏光度とThOのスピン回転角の相関について計算した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023年度中に本課題での担当システムは全てインストールを完了することができ、本実験に向けてThO分子ビームの初観測、設計通りの光子検出レートの向上が確認できた。今後の系統誤差スタディのためのツールとなりうる数値シミュレーションプログラムのプロトタイプを組み、電子スピン回転とレーザーの偏光との相関を計算で評価できるようになった。おおむね、昨年度の今後の研究の推進方策に準拠した進展が得られており、順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

国内での必須開発項目は完了し、今後は米国での本実験に向けた最終準備、本実験がメインとなる。そのため今後は渡航費用の確保が重要となる。各種研究助成にアプライし米国での実験を支障なく進行できるよう資金確保に努める。米国滞在時は現場での実験遂行がメインとなるが、国内ではシミュレーションによる最終デザイン確定、本番を見据えた実験詳細のスタディを行う。主に系統誤差要因の評価が目的である。
同時に、国内においてもデータ解析が行えるよう環境整備を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Northwestern university/Harvard University/The university of Chicago(米国)
• [Int'l Joint Research] Northwestern University/Harvard University/University of Chicago(米国)
• [Int'l Joint Research] Harvard University/Northwestern University/The university of Chicago(米国)
• [Int'l Joint Research] Harvard University/Northwestern University/University of Chicago(米国)
• [Journal Article] SiPM module for the ACME III electron EDM search (2023)
  • Author(s): Hiramoto A.、Masuda T.、Ang D.G.、Meisenhelder C.、Panda C.、Sasao N.、Uetake S.、Wu X.、Demille D.、Doyle J.M.、Gabrielse G.、Yoshimura K.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1045 Pages: 167513-167513
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167513
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-sensitivity low-noise photodetector using a large-area silicon photomultiplier (2023)
  • Author(s): Masuda Takahiko、Hiramoto Ayami、Ang Daniel G.、Meisenhelder Cole、Panda Cristian D.、Sasao Noboru、Uetake Satoshi、Wu Xing、DeMille David P.、Doyle John M.、Gabrielse Gerald、Yoshimura Koji
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 2 Pages: 1943-1943
  • DOI: 10.1364/oe.475109
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suppression of the optical crosstalk in a multi-channel silicon photomultiplier array (2021)
  • Author(s): Masuda Takahiko、Ang Daniel G.、Hutzler Nicholas R.、Meisenhelder Cole、Sasao Noboru、Uetake Satoshi、Wu Xing、DeMille David、Gabrielse Gerald、Doyle John M.、Yoshimura Koji
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 11 Pages: 16914-16914
  • DOI: 10.1364/oe.424460
  • NAID: 120007053367
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 電子の永久電気双極子能率測定による物質反物質対称性の破れの探索 (2024)
  • Author(s): 増田孝彦
  • Organizer: 岡山大学理学部物理談話会
• [Presentation] 冷却ThO分子を用いた電子の電気双極子能率探索 (2023)
  • Author(s): 増田孝彦
  • Organizer: 第二回冷却分子・精密分光シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ThOビームを用いた電子の永久電気双極子能率探索とそれに用いる光検出モジュール (2023)
  • Author(s): 増田孝彦
  • Organizer: 電子回路研究会
  • Invited
• [Presentation] 冷却ThOビームを用いた電子EDM探索実験ACME IIIの状況 (2023)
  • Author(s): 増田孝彦
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] ACME III: electron EDM search using cold ThO molecular beam (2023)
  • Author(s): Takahiko Masuda
  • Organizer: The KMI workshop "Searches for Electric Dipole Moments: from theory to experiment"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Silicon photomultiplier embedded photodetector for ACME III (2022)
  • Author(s): Takahiko Masuda
  • Organizer: The 27th International Conference on Atomic Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Silicon photomultiplier module as a photon detector for ACME III Electron EDM search (2021)
  • Author(s): Takahiko MASUDA
  • Organizer: DAMOP2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 冷却原子・分子で探るバリオジェネシス (2021)
  • Author(s): 増田孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2021秋季大会
• [Presentation] ACME実験のためのSiPMモジュールの開発 (2021)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 日本物理学会2021秋季大会
• [Presentation] 電子EDM (2021)
  • Author(s): 増田孝彦
  • Organizer: S型課題研究会サテライト
  • Invited
• [Presentation] ACME実験におけるSiPMモジュールの開発および量産状況 (2021)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Development of a silicon photomultiplier module for ACME III (2020)
  • Author(s): Takahiko Masuda
  • Organizer: DAMOP2020: The 51st Annual Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular and Optical Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Upgrade towards the next electron electric dipole moment search (2020)
  • Author(s): 増田孝彦
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋期大会
• [Funded Workshop] The 15th International workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2024) (2024)