永久電気双極子モーメント探索に向けた高輝度Fr原子線源の開発

• Project/Area Number: 22K18126
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 長濱 弘季 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00804072)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 中性原子源 / 非密封線源 / 磁気光学トラップ / 低エネルギーイオンビーム / イオンビーム質量分離

Outline of Research at the Start

現代物理学が抱える大きな謎の一つである、物質-反物質非対称性の解明を目指すために、重元素・フランシウム（Fr）の永久電気双極子モーメント（EDM）を高精度で探索するための基盤を開発する。EDMの測定精度は、測定対象となるFr原子の個数に依存するため、本研究では、加速器で生成したFr原子を高効率で磁気光学トラップに供給し、世界最大個数のFr原子を捕獲することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、フランシウム（Fr）原子を高効率で磁気光学トラップ（MOT）装置に供給し、実際に多量のFr原子をMOT装置で捕獲することを目指す。
2023年度は、Ac-225をPt基板表面に化学電着し、さらにその基板上にY薄膜を形成することに成功した。Ac溶液を調整し、溶液中のPt基板に電圧を印加することで、Acを基板上に電着した（以下、Ac電着基板）。Ac電着基板とYターゲットを真空チャンバー中に設置し、数PaのArガスを封入した後、Yターゲットに負の高電圧を印加することで、Ac電着基板とYターゲットの間にDCグロー放電を起こした。これにより、イオン化したAr原子がYターゲットに衝突し、Y原子がターゲット表面から叩き出され、一部はAc電着基板上に付着する。基板上におけるYの成膜レートは、約0.4nm/minuteであり、30nm程度成膜した。この成膜処理を施すことで、Ac-225のα崩壊によって生じた105keVのFr-221の大部分は基板中で停止する。基板を加熱することで、Fr-221を基板表面まで熱拡散により輸送し、基板表面から中性原子として脱離することを確かめた。Yの仕事関数はFr原子の第一イオン化ポテンシャルより小さいため、Y表面からは主に中性原子として脱離する。
以上により、Y成膜処理を施したAc電着基板を加熱し続けることで、基板表面からFr-221原子を連続的に取り出せるような原子源を開発することに成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2022年度は、加速器を用いて生成したFr-210を、一価の陽イオンビームとして引き出し、中性化装置により中性原子に変換することに成功した。ただし、中性化装置がMOT装置へFr-210原子を供給する周期は約10分で断続的であることに加え、加速器が運転している期間に限られる。この経験を踏まえ、2023年度は、Fr原子を連続的、かつ、可能な限り長期間に渡り供給する装置の開発を行った。具体的には、Pt基板にAc-225（半減期：10日）を化学電着し、さらにArガスのDCグロー放電によりY薄膜を基板表面に成膜した。これにより、Fr-221原子を連続的、かつ数週間に渡り、MOT装置へと供給することが可能になった。

Strategy for Future Research Activity

2023年度において開発したFr-221原子源の更なる改良を行うと同時に、MOT装置の開発を行い、実際にFr-221原子の捕獲を試みる。