2021 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 – 2023-03-31
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| Keywords | 同位体シフト / キングの線形性 / 一般化線形性 / 新物理 / イッテルビウム / イオントラップ / 単一イオン分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中性子・電子間の新粒子交換が原子・イオンのスペクトルの同位体シフト(isotope shift，IS)に影響を及ぼすことから，ISの精密測定による新物理探索を行った．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)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．新粒子によるISが加わると，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，新物理の情報を得ることができる．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．代表者は，イッテルビウム(Yb)イオンにおける2つの遷移と中性Yb原子の1つの遷移を組み合わせ，最新のIS実験データを用いて一般化線形性解析を行い，標準模型の範囲内で2種類以上の高次効果がこれらのデータ中に存在することを発見した．さらにこれに基づき，新粒子への制限を得た．
次に実験的研究について述べる．単一イオンの光領域の時計遷移スペクトルは，遷移周波数のキャリアスペクトルに，イオンの永年運動によるドップラーシフトにより発生するサイドバンドをともなう．永年運動を時計遷移の波長サイズよりも狭い範囲，いわゆるラム・ディッケ領域に冷却すると，サイドバンドは十分小さくなり，キャリアを容易に同定することができる．分担者は，コロナ前に一度は達成できたラム・ディッケ領域閉じ込めの再現を目指した．ラム・ディッケ領域閉じ込めは完全には再現できていないものの，冷却レーザーのパワーを適切に設定することにより，キャリアが最強となる冷却状態まで再現性よく達成できるようになった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
既存の実験データを用いた理論的解析は順調で，これまでで最も高度な解析を行っている．実験面では，コロナ禍のために技術の引継ぎで苦労したものの，3次元のマイクロ運動最小化と時計遷移分光を再現できた．予想に反して，この時点でラム・ディッケ領域閉じ込めを達成できなかった．2台のトラップの同時動作のために冷却レーザーのパワーを増強したが，これによる飽和広がりが到達温度に影響を与えることを突き止めた．冷却レーザーのパワーを下げることで，キャリアが最強となるスペクトルを再現性よく取得できるようになった．また，同位体シフト測定のために，2系統目の2S1/2－2D5/2遷移励起用と2F7/2準位脱励起用の外部共振器型半導体レーザーを作製した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでにイッテルビウムの中性原子とイオンについて，合わせて5つの遷移で系統的なISの測定データが発表されている．理論面では，これらのデータを総合して新物理探索のための解析を進める．
実験面では，同位体選択トラップ装置で単一174Yb+を選択トラップし，基準トラップ装置と同様に2S1/2－2D5/2四重極遷移のスペクトルをキャリアが優勢となるように検出する．そして，基準トラップ装置と2台同時に2S1/2－2D5/2遷移の分光が可能なシステムを構築し，2台それぞれに閉じ込めた単一174Yb+の遷移周波数の比較を可能にする．さらに，遷移周波数の系統的シフトの評価とシフトを除いた遷移周波数の決定方法を確立する．最終的に比較対象を残る4種類の偶数同位体に拡張し，ISの測定を行う．
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| Causes of Carryover |
共同研究のため，在外研究協力者を代表者所属機関(大阪大学)へ2回招聘する計画であったが，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る．
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