冷却極性分子を用いた電子の電気双極子モーメント測定による時間反転対称性の検証

• Project/Area Number: 22KJ2300
• Project/Area Number (Other): 21J01252 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 平本 綾美 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 冷却分子 / 電気双極子能率 / 光検出器 / 電気双極子モーメント / eEDM / SiPM

Outline of Research at the Start

ACME実験は極性分子を用いて電子の電気双極子モーメント (eEDM) を探索することで、CP対称性の破れの観測を目指している。ACMEはこれまでeEDMを世界最高精度で探索してきた実験であり、その感度を30倍向上させるために装置のアップグレードを遂行している。
本研究は測定感度向上のためにACMEにおける信号強度を強めることを目的とし、Sillicon Photomultiplierを用いた光検出器の開発、運用を行うものである。

Outline of Annual Research Achievements

ACME実験は極低温に冷却したThO分子ビームを用いて、電子の電気双極子モーメント（eEDM）を探索する実験である。2018年に世界最高精度でeEDMに対する上限値を与えたのち、その感度をさらに30倍にするため装置全体のアップグレード（ACME III）を行なっている。本研究では期間全体を通して、アップグレードの一環として採用される光検出器Sillicon Photomultiplierモジュール（SiPMモジュール）の開発および現地での運用を行なってきた。開発したSiPMモジュールは従来ACMEで用いられていた検出器に比べ2.7倍の検出効率をもつことが確認されている。2023年度には8台のSiPMモジュールを量産・インストールし、その後は安定したオペレーションやデータ取得のための準備を行なってきた。
最終年度は実験サイトであるNorthwestern大学に長期滞在し、インストールしたSiPMモジュールを用いてThOビームからの信号の観測に取り組んだ。共同研究者と協力し2024年2月までにACME IIIに用いられるほとんどすべてのパーツのインストールを完了した。その後ACME IIIビームラインではじめてThOビームからの信号の観測に成功し、その際に観測された信号レートはアップグレードで想定していた統計量の向上と一致するものであることを確認した。今後はこれらの装置を用いて系統誤差スタディを行い、eEDM探索に向けたデータ取得を行う計画である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Harvard University/Northwestern University/The University of Chicago(米国)
• [Journal Article] ThOビームを用いた電子の永久電気双極子能率とそれに用いる光検出モジュール (2023)
  • Author(s): 増田孝彦、平本綾美、笹尾登、植竹智、吉村浩司、Daniel G. Ang, John M. Doyle, Zack Lasner, Cole Meisenhelder, David P. DeMille, Zhen Han, Peiran Hu, Xing Wu, Collin Diver, Xing Fan, Gerald Gabrielse, Siyuan Liu, Maya Watt, Nicholas R. Hutzler, Cristian Panda
  • Journal Title: 日本電気学会電子回路研究会 Volume: ECT-23-053
• [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
• [Presentation] 冷却分子ThOを用いた電子EDM探索実験ACME IIIの準備状況 (2024)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
• [Presentation] ThO分子を用いた電子EDM探索 (2023)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 第12回 停止・低速RIビームを用いた核分光研究会
• [Presentation] 電子EDM探索の現状と展望 (2023)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 素粒子物理学の進展2023
  • Invited
• [Presentation] 電子EDM探索の今と未来 (2023)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 素粒子物理の今と未来
• [Presentation] ACME実験における電子電気双極子モーメント探索のアップグレード状況 (2023)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] Performance of a silicon photomultiplier module for the ACME III electron EDM search (2022)
  • Author(s): Ayami Hiramoto
  • Organizer: The 53rd Annual Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular and Optical Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SiPM module for the ACME III electron EDM search (2022)
  • Author(s): Ayami Hiramoto
  • Organizer: 9th Conference on New Developments in Photodetection
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for the electron EDM in ACME III (2022)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: RCNP研究会「中性子と原子で探る基礎物理」
• [Presentation] ACME実験におけるSiPMモジュールのインストール状況 (2022)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 日本物理学会 2022秋季大会
• [Presentation] ACME III electron EDM search (2022)
  • Author(s): Ayami Hiramoto
  • Organizer: 14th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
• [Presentation] ACME実験におけるSiPMモジュールの開発および量産状況 (2022)
  • Author(s): 平本綾美
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] Electron EDM search using ThO molecules in ACME III (2021)
  • Author(s): Ayami Hiramoto
  • Organizer: 13th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2021)
  • Int'l Joint Research
• [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 年秋季大会