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 2022)
• 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

冷却ThO分子を用いた電気双極子能率探索の感度向上のための光検出器の開発では、2021年末より開始した量産プロセスが終了し、2022年6月に米国ノースウェスタン大学に全数発送することができた。量産は研究代表者と共同研究者の2名体制で実施し、一台ごとにゲイン、ノイズ量、検出効率、各種パラメータの温度依存性を確認し、10台全数問題ないことが確認できた。
またそれらの性能評価をもとに原著論文を執筆した。特に一光子ゲイン、ブレークダウン電圧の温度依存性、暗電流、信号線形性、超過ノイズについての評価を議論し、まとまった内容の論文となっている。
現地米国ノースウェスタン大学移送前に、岡山大学において全数稼動長期試験を実施した。実使用台数である8台を本番同様に設置し、真空・水冷システムの整備、ノイズ量、長期安定性を評価し、本番に近い環境での動作を確認できた。
その後、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実施した。現地で準備している真空チェンバや磁気シールド、ライトパイプなどと組み合わせ、検出器のインストールにおいて干渉がないかの確認を始め、その他光漏れ対策、水冷・真空システムの整備を行なった。
検出器以外では、分担者の開発した光コムを用いて、導電性コーティング（ITO）を施したガラス材の光学特性評価を実施した。主にITOコーティング面の反射率と透過率の評価を行い、実用上問題ないレベルにおさまっていることが確認できた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初予定していたモジュールの量産、および真空・冷却・バイアスなどの周辺制御機器の開発整備、本実験のサイトである米国ノースウェスタン大学でのインストール・試運転まで実現している。一部真空関係に不具合が見受けられたため、2023年度に多少の修正を行う必要はあるが、概ね順調に進展している。量産結果をもとに論文報告を予定していたが、それも本年度内に出版まで行うことができた。
また、導電性コーティング（ITO）を施したガラス材の光学特性評価も実施し本実験へ結果をフィードバックできた。
今後は本実験までに周辺システムの整備を進め、2023年度中に開始する予定の本実験に備える。

Strategy for Future Research Activity

国内での開発項目はほぼ完了し、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、国内においても模擬実験を実施できるようレーザーや共振器の整備を検討する。

Research Products

• [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] 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