Ultraprecise measurement of the fine-structure constant using a strontium atom-wave interferometer
| Project/Area Number |
23K20849
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| Project/Area Number (Other) |
21H01089 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鳥井 寿夫 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (40306535)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
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| Keywords | ストロンチウム / レーザー冷却 / 微細構造定数 / 原子波干渉計 / 精密測定 / 準安定状態 / 磁気光学トラップ |
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| Outline of Research at the Start |
光の速さや電子の電荷などの物理定数は宇宙が誕生してから不変なのだろうか。特に電磁相互作用の強さを表す物理定数である微細構造定数の時間的な不変性の検証は、現代物理学が取り組むべき重要な課題の一つである。本研究は、セシウム原子の原子干渉計の感度を上回る可能性のあるストロンチウムの原子波干渉計を用いて、微細構造定数の測定値の不確かさを大幅に低減することを目標とする。具体的には、ストロンチウム原子をレーザー冷却によってμK領域まで冷却し、周波数の定まった光を吸収したストロンチウム原子の反跳エネルギーを精密に測定する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
ストロンチウム原子の461nm（5s5s1S0-5sp1P1）遷移を用いた磁気光学トラップ（MOT）に必要となるリポンピング過程に関する研究を行った。MOTに用いられる461nm遷移は完全に閉じた2準位系ではなく、上準位の5s5p1P1準位にある原子は5s4d1D2準位を経て長寿命（～100 s）な準安定状態である5s5p3P2準位に1:150000の割合で落ちてしまう。この原子を別のレーザー光で更に上の準位に励起し、比較的寿命の短い（21μs）5s5p3P1を介して基底状態5s5s1S0に戻すポンピング過程（単一レーザーリポンピング過程）が近年用いられるようになったが、MOTの寿命の増加は20倍から30倍に留まっていた。その原因は、リポンピング光によって励起された原子がいくつかの中間状態を介して、同じく長寿命な5s5p3P0準位に落ちてしまうことであると考えられてきた。今回、我々は、２つの異なるリポンピング遷移（5s5p3P2-5p5p3P2,481nmおよび5s5p3P2-5p5d3D2,497nm）を用いた場合のMOTの寿命の増加を比較し、両者に有意義な差がないことを実験的に確認した。この事実は、MOT中の原子の5s5p3P0準位への緩和は、りポンピング遷移の上準位からの緩和でなく、これまで見過ごされててきた5s5p1P1-5s4d3D1-5s5p3P0という経路によるものであることを強く示唆している。この緩和過程が起こる割合は1:4000000であり、単一のレーザーによるリポンピング過程では、寿命の増加は26倍が上限であることを世界で初めて突き止めた。また、MOTへの原子のローディングレートが低い場合は、単一のレーザーによるリポンピング過程は不十分であることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ストロンチウム原子の461nm（5s5s1S0-5s5p1P1）遷移の磁気光学トラップ（MOT）のリポンピング過程に関する研究および論文執筆に時間がかかったため、昨年度に実施予定であった準安定状態（5s5p:3P2-5s5d:3D3遷移）を用いた磁気光学トラップ（green MOT）に着手することができなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に完成した、回転導入機による原子ビームシャッターを配置したストロンチウム原子オーブンを、ストロンチウム原子の準安定状態（5s5p:3P2-5s5d:3D3遷移）を用いた磁気光学トラップ（Green MOT）に適用する。冷却レーザー光（496nm）を、現在の3本の折り返しビームではなく、6本の独立したビームとし、輻射圧の微調整を可能にする。また、音響光学変調器を用いて、冷却レーザー光の光強度および周波数をミリ秒の時間で制御可能とする。磁気光学トラップされた原子を偏光勾配冷却によってさらに冷却するため、磁気光学トラップ用ガラスセルを磁気シールドで覆う、または補正コイルを導入して、環境磁場を取り除く。Green MOT実現のため、必要となる複数の光源（461nm, 483nm, 487nm, 496nm）の周波数を1台のファブリペロー共振器で同時に安定化するためのシステムを構築する。具体的には、ホローカソードランプを用いて絶対周波数が安定化された461nm光源と、他の波長の光源を同軸にして1台のファブリペロー共振器に入射し、得られた透過信号の波形をマイクロコンピュータを用いて解析し、各光源にフィードバック制御を行う。昨年度は着手できなかった、光誘起脱離（light-induced atom desorption）による磁気光学トラップへのローディングも試行する。パイレックスガラスセルを事前に不働態化（passivate）する目的で、真空装置にルビジウム原子源も導入する。
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Report
(3 results)
Research Products
(4 results)
