2020 Fiscal Year Research-status Report
Fundamental aspects of new physics search in precision spectroscopy
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18K03621
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
田中 実 大阪大学, 理学研究科, 助教 (70273729)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉山 和彦 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10335193)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 同位体効果 / 新物理探索 / キングの線形性 / イオントラップ / イッテルビウムイオン / 単一イオン分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子・イオンのスペクトルの同位体効果(isotope shift，IS)の精密測定による，原子内で作用する未知の力の探索について研究を行なった．
中心となるアイデアは，2種類の遷移のISの間の「キングの線形性」とその破れである．原子核の有限サイズ効果によるIS(field shift，FSと呼ばれる)が，質量数に依存する因子と遷移に依存する因子の積で書ける場合に，線形性が成り立つ．未知の相互作用によるISが加わると，一般にはこれが成立しなくなり，線形性が破れる．2種類の遷移について3つ以上の同位体ペアでISを測定して，線形性の破れを検出することで，原子内に作用する未知の力の情報を得ることできる．これを拡張した3種類以上の遷移を用いて標準模型の高次効果による非線形性を消去し新物理への感度を高める一般化線形性も，代表者らが提案している．
2020年度に代表者は，IS非線形性を用いた新物理探索における相対論効果についての論文を出版した．さらに，イッテルビウム(Yb)イオンにおける2種類の遷移と中性Yb原子の1つの遷移を組み合わせ，最新のIS実験データをもとに，上述の一般化線形性についての解析を進めた．
分担者は2020年度に，同位体選択トラップ装置の補正電極短絡の問題を解決して，少数個イッテルビウムイオン(Yb+)のトラップを再現させた．さらに，単一イオンを十分冷却するために必要となる2方向目の冷却ビームを導入し，蛍光観測に成功した．2本の冷却ビームを用いて観測される蛍光強度を最大にすることで，過剰マイクロ運動を3次元とも最小化する補正電圧の組み合わせを見出した．もう1台の基準トラップ装置においても，2方向の冷却ビームの導入と，補正電圧のおよその設定まで再現させた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
代表者: IS非線形性における相対論効果についての論文を出版した．さらに，一般化線形性によるデータ解析のためのコードを開発した．これを用いて，Ybイオンの2種類の遷移と中性Yb原子の1つの遷移の最新のIS実験データの予備的な解析を行なった．
分担者: 同位体選択トラップ装置で補正電極が真空槽と短絡する問題が2019年度発生したが、そのまま同位体選択トラップの実験を進めた．今後はイオンの十分な冷却が必要となるため，このタイミングで真空を破ってイオントラップを解体・洗浄して組み上げなおした．時間のかかる作業を新型コロナによる活動制限下で行うこととなり，進捗に多大な影響をきたす結果となった．しかし，年度後半で，同位体選択トラップ装置ではこれまでできていなかった3次元冷却までめどが立った．これで3次元に冷却された単一イオンを同時に独立に2系統準備するめどが立ち，2台のトラップ装置を用いる同位体シフトの直接測定が可能となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
代表者: Ybイオンの2種類の遷移と中性Yb原子の1つの遷移の最新のIS実験データを用いて，一般化線形性の解析を行ない標準模型の高次効果による非線形性の解明および新物理探索を行なう．また，中性Yb原子の他の遷移についても調べる．
分担者: 自然幅20 HzのYb+ 2S1/2－2D5/2四重極遷移の単一イオン分光を行い，5種類の偶数同位体間の同位体シフトを測定する．そのために，分光用レーザーを周波数掃引するためのオフセットロックレーザーをもう一台作成する．そして，2台のトラップ装置に同時に単一Yb+をトラップし，基準トラップ装置で同位体174，もしくは可能であれば磁場による周波数シフトが小さい同位体171の遷移スペクトルを取得すると同時に，同位体選択トラップ装置で各偶数同位体のスペクトルを取得し，同位体シフトを測定する．2台のトラップ装置を用いて効率的な進捗を図りたい．
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| Causes of Carryover |
共同研究のため，在外研究協力者の代表者所属機関(大阪大学)への招聘を本研究課題の予算で2回行う計画であったが，COVID-19のため実施できなかった．COVID-19終息後，速やかに招聘する予定であり．次年度予算と併せてこれに使用する．
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