2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study for the violation mechanism of fundamental symmetry using the cold atom/molecular interferometer with optical lattice
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19H05601
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
酒見 泰寛 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90251602)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長濱 弘季 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00804072)
高峰 愛子 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (10462699)
青木 貴稔 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (30328562)
羽場 宏光 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 室長 (60360624)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 基本対称性 / 電気双極子能率 / バリオン生成 / 光格子重元素干渉計 / レーザー冷却分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
反物質消失のメカニズム、暗黒物質の素粒子物理学的実体の理解、そしてバリオン生成の機構解明の鍵となる未知の対称性・素粒子を探索するために、レーザー冷却放射性同位元素・フランシウム（Fr）を用いた電気双極子能率（EDM）の探索技術を確立する。特に、EDMの測定精度向上~-30乗を目指し、大強度Frイオンビーム（～10の7乗/秒）の安定供給を実現してきた。このFrの1価のイオンビームを、イットリウム（Y）標的で停止し、標的表面で電子再結合により中性Fr原子にするとともに、標的を加熱して中性Frビームを生成する中性化装置を開発した。今回、このY表面における仕事関数等、化学的性質を維持できるよう、その表面清浄さを保つために、Arイオン銃を設置し、定期的にY表面にArイオンビームを照射することで、中性化効率を向上させる機構を備えた。この下流に、Frをトラップする磁気光学トラップ（MOT）を取り付け、レーザー冷却Fr源ビームラインの開発を完了した。Frを生成する実験室から、レーザー冷却・トラップを行うためのレーザー光源を配置するレーザー分光室まで400mの間の光伝送を行うために、光ファイバーを敷設し、高精度波長計による周波数安定化も実現した。
さらに、クォーク色電荷のEDMに感度が高くなる８重極変形効果が大きいFr221の測定を実現するために、Fr221のgeneratorとなるAc225の高強度線源の開発を行った。日本アイソトープ協会から供給されるAcを硝酸アクチニウムにして、分子電着法により白金基盤上に高強度・高純度Ac線源を作成した。20MBqのAcにおいて、77%を超える高い電着効率を実現し、線源開発の見通しをたてた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の心臓部となるレーザー冷却Fr源ビームラインの開発を完了しており、順調に進展していると判断する。
Frを生成する表面電離イオン源、高輝度中性Fr原子線を生成する電子再結合装置、Fr原子をレーザー冷却・トラップする磁気光学トラップ装置（MOT）は、理研の加速器施設において、加速器ビームラインにインストールされ、各種制御も含めて、動産確認を行った。また、安定原子Rbを用いて、表面電離、電子再結合、レーザー冷却を行い、Rb原子のMOTによる蛍光を観測し、データ収集装置も連動して動作することを確認した。
これらのビームラインは放射線発生エリアに設置されるが、レーザー冷却・トラップ・周波数安定化等の光学系機器は、放射線による損傷を避けるため、400m離れたレーザー分光室に全て設置する構造とした。必要な光源等の開発も完了し、光は、400mの長距離にわたって光ファイバーで伝送し、長期間にわたって周波数安定も可能なことを実証している。これらのことから、レーザー系の開発も完了していること踏まえて、順調に進んでいると考えている。
また、221Frの同位体は、クォーク色電荷EDMに感度が高いため、電子EDMに感度が高い210Frと相補的に重要であるが、この実験に必要な221Frのgeneratorである225Acの高強度線源の開発も進み、高い電着効率を有する線源開発技術を確立した。これらのことから、総合的に、予定通り、計画は進んでいると評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、開発が完了したレーザー冷却Fr源において、磁気光学トラップ（MOT）中の捕獲Fr収量を増大させるため、①ECRイオン源の運転方法を高度化し、一次ビームの強度増強、②高純度Frビーム生成のための高周波質量分析装置の開発、③Frイオンの電子再結合効率を向上させるため、イットリウム（Y）標的の酸化膜除去やFr脱離効率の標的温度依存性の測定・最適化、等の開発を進め、トラップ効率の向上を進める。
①は、ECRイオン源のプラズマチェンバー内に、バッファーガスとしてヘリウム等を同時に導入し、一次ビームである18Oとの衝突により、チェンバー内での滞在時間を長くすることで、多価イオンの引き出しビーム強度増強を目指す。②は、核反応で生成されるさまざまなイオン種からFrを高純度で輸送するために、質量分析装置の開発を行う。これまで、電場・磁場による質量分析（ウィーンフィルター）を設置していたが、理研でのビームラインは非常にコンパクトなため、電場のみで質量分離する高周波質量分析装置を検討する。③は、実験前後でのY表面の構造を分析するため、XPSによる表面解析を進め、実際の表面汚染を定量的に解析しながら、スパッタリング時間、加熱時間等のパラメータ最適化を進める。
さらに、このFr-MOT効率向上に向けた各構成要素の性能最適化と並行し、MOTの後段に設置する光格子のレーザー光源の開発を進め、高放射線環境下でも動作できるよう、構成部品を自前で製作できる高強度ファイバーレーザーを開発する。また、オフラインでの実験も可能なように、Ac225をgeneratorとして、α崩壊により得られるFr221をレーザー冷却・トラップできるよう、非密封線源取り扱いが可能なグルーブボックス内に設置できるMOT装置の開発を行う。
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