レーザー冷却重元素を用いた電子の電気双極子能率探索

• Project/Area Number: 21J12044
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小澤 直也 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 反物質消失機構 / CP対称性の破れ / 永久電気双極子能率 / フランシウム / 表面中性化 / レーザー冷却 / 光格子 / ファイバー増幅器 / 磁気光学トラップ

Outline of Research at the Start

宇宙における物質・反物質非対称性の起源に迫るために、レーザー冷却したFr原子を用いて電子の永久電気双極子能率 (Electric dipole moment; EDM) を高精度で測定する。電子や核子のEDMは量子多体系において増幅されることが理論計算により示唆されており、原子量最大のアルカリ原子であるフランシウム (Fr) では電子EDMを1000倍程度まで増幅する。加速器を用いて核融合反応により生成したFrイオンを電子再結合により中性原子に変換し、磁気光学トラップおよび光格子トラップにより冷却したうえで、ラムゼー分光法によりEDM測定を行う。

Outline of Annual Research Achievements

宇宙の誕生以降、粒子と反粒子が対をなして生成することで、今日存在する物質が形成されてきたと考えられている。一方、もしも粒子と反粒子が同じ量だけ作られてきたとすると、全て対消滅により失われてしまい物質が形成されなかったはずである。したがって、宇宙の進化の過程において粒子が反粒子よりも多く残るような非対称な過程が存在したことが期待される。本研究では、このような物質・反物質対称性の破れの起源の一つとなり得る時間反転対称性の破れを示す効果である、電子の永久電気双極子能率 (EDM) を高精度で測定することを目指す。
原子番号の大きいアルカリ原子では電子の相対論的運動により電子EDMが大きく増幅され、最も重いアルカリ元素であるフランシウム (Fr) 原子の場合、その増幅度は800倍程度にのぼることが理論計算により示唆されている。本研究では、理化学研究所AVFサイクロトロンを用いたFr原子大強度生成およびレーザー冷却の技術を駆使し、Fr原子のEDMを高精度で測定するための装置開発および実験を推進している。
本年度は、光格子用大強度レーザー光を生成するためのYb添加ファイバー増幅器 (YDFA) の製作を実施した。十分なパワーを利用するためには、YDFAを高放射線環境下である加速器ビームライン付近に設置することが必要となる。したがって、放射線シールドの装備や、破損部品の交換が容易になるように、YDFAをファイバー融着技術によって自作した。数値計算による性能予測と併せて開発を進めた結果、10 W 以上のパワーを供給することに成功した。また、Frを用いた中性化・磁気光学トラップの実験も実施し、特に中性化標的の表面状態が原子生成効率を大きく左右することを確認した。これらの研究により、冷却Fr原子を用いた電子EDM測定に向けた基幹装置開発を完遂し、また最適化に向けた課題を明確化した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] フェラーラ大学(イタリア)
• [Journal Article] Francium ion source with novel methods of target heating and beam characterization (2023)
  • Author(s): Ozawa N.、Nagahama H.、Sakemi Y.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Issue: 2 Pages: 023306-023306
  • DOI: 10.1063/5.0118754
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Laser Frequency Stabilization and an Optical Transmission System for the Francium Electric Dipole Moment Search (2022)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2249 Issue: 1 Pages: 0120101-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2249/1/012010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two-dimensional beam profile monitor for the detection of alpha-emitting radioactive isotope beam (2021)
  • Author(s): Tanaka K.S.、Dammalapati U.、Harada K.、Hayamizu T.、Itoh M.、Kawamura H.、Nagahama H.、Nakamura K.、Ozawa N.、Sakemi Y.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1017 Pages: 165803-165803
  • DOI: 10.1016/j.nima.2021.165803
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum sensing of the electron electric dipole moment using ultracold entangled Fr atoms (2021)
  • Author(s): Aoki T、Sreekantham R、Sahoo B K、Arora Bindiya、Kastberg A、Takamine A、Ueno H、Ichikawa Y、Matsuda Y、Haba H、Sakemi Y et al.
  • Journal Title: Quantum Science and Technology Volume: 6 Issue: 4 Pages: 044008-044008
  • DOI: 10.1088/2058-9565/ac1b6a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of Ultracold Francium Atomic Sources Towards the Permanent EDM Search. (2021)
  • Author(s): Hayamizu, T., et al.
  • Journal Title: Few-Body Syst. Volume: 63 Issue: 1 Pages: 11-11
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01710-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of novel detection system for francium ions extracted from online surface ionizer (2021)
  • Author(s): N. Ozawa, H. Nagahama, T. Hayamizu, K. Nakamura, M. Sato, S. Nagase, Y. Kotaka, K. Kamakura, K.S. Tanaka, M. Ohtsuka, T. Aoki, Y. Ichikawa, A. Takamine, H. Haba, H. Ueno, and Y. Sakemi
  • Journal Title: RIKEN Accelerator Progress Report Volume: 54 Pages: 117-117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Radiation resistivity test of an optical fiber for laser cooling of francium atoms (2021)
  • Author(s): T. Hayamizu, K. Nakamura, T. Aoki, Y. Kotaka, H. Nagahama, S. Nagase, M. Ohtsuka, N. Ozawa, M. Sato, A. Takamine, K.S. Tanaka, H. Haba, and Y. Sakemi
  • Journal Title: RIKEN Accelerator Progress Report Volume: 54 Pages: 116-116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 永久電気双極子能率探索を目指した冷却フランシウム原子源の開発 (2023)
  • Author(s): 小澤直也
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Progress towards electron electric dipole moment measurement using laser-cooled francium (2022)
  • Author(s): Naoya Ozawa
  • Organizer: 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current status of the electron EDM search using laser-cooled francium atoms (2021)
  • Author(s): Naoya Ozawa et al.
  • Organizer: 13th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2021)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東京大学理学部オープンキャンパス2021 講演「宇宙にも利き手があるらしい？」
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=OG2fdrOmnJM