能動核スピンメーザー法を用いた原子EDMと核シッフモーメントの研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26247036
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 旭 耕一郎 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (80114354)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉永 尚孝 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (00192427) ; 市川 雄一 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 研究員 (20532089) ; 古川 武 首都大学東京, 理工学研究科, 助教 (30435680) ; 福山 武志 大阪大学, 核物理研究センター, 協同研究員 (40167622) ; 上野 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 主任研究員 (50281118)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 原子核（実験） / 基本的対称性 / シッフモーメント / 電気双極子モーメント / CP非保存

Outline of Annual Research Achievements

核シッフモーメントは、原子核内に働く相互作用にパリティ（P）および時間反転不変性（T）を破る成分が含まれているときに存在し、特に反磁性原子に対しては永久電気双極子モーメント（EDM）を生じさせるため、標準理論を超える新現象として注目を集めている。本研究では、反磁性原子129Xe、131Xeを対象として、当研究グループがこれまで開発してきた能動帰還型核スピンメーザーの手法に基づき、同位体間で大きく異なると考えられるXe核シッフモーメントおよび原子EDMの存在を高感度で探索する。
129Xe原子のメーザー発振はこれまでの研究で基礎が確立しているのに対して、131Xeのメーザー発振には前者になかった新たな物理過程が加わる結果、いくつかの挑戦的課題が含まれる。特に、四重極相互作用の存在により、131Xeの偏極生成に際して129Xeに比べてガラスセル内壁面でのスピン緩和が大きくなる効果が生じる。そのため、従来よりも効率的なポンピングシステムを開発し、また、壁緩和を抑制できるガラスセルの形状、素材の選定、内部処理の検討を行った。こうして製作した131Xe封入ガラスセルを用いて断熱通過型NMR測定を行い、131Xeの偏極生成を実際に確認した。
安定したメーザー発振実現のためには、印加静磁場の高い空間的一様性が鍵となる。そこで４つのソレノイドコイルの組み合わせからなる特殊形状のコイルを開発し、セル存在領域において、印加磁場に対する相対勾配を1/1000以内に抑制することができた。このコイルを用いてパルスNMR測定を行い、自由歳差減衰信号を取得、さらに帰還磁場を印加することでメーザー発振にも成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では129Xeと131Xeを同時にメーザー発振させ周波数の高精度測定を行うことで、同位体間でのシッフモーメントそして原子EDMの違いを探ることを目標とする。129Xe原子のメーザー発振はこれまでの研究で基礎が確立しているのに対して、131Xeのメーザー発振は　これまで前例がなく全く新規な試みとなる。そのため研究初年度となる平成26年度は131Xe単独での偏極生成の確認、そしてメーザー発振実現を目標として設定した。現在までに目標として設定した131Xeの偏極生成、メーザー発振のみならず、129Xeと共存させた条件下でのメーザー発振にも成功している。同時メーザー発振条件の最適化は現在進行形であり、さらに本研究で狙いとする偏極Rbとの衝突周波数偏移低減を早期に確認する必要はあるものの、初年度の達成度としては当初の計画と同等かそれ以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

現在までに、高い空間的一様度の静磁場を生成するコイルの開発、および131Xeの効率的なスピン偏極生成のための実験セットアップ構築を行い、その結果、129Xeと131Xeを同時に封入したセルにおいての偏極生成の確認、さらに同時メーザー発振を達成している。ここから目標とする高精度実験を遂行するためには、同時メーザー発振のさらなる安定化、および本実験で生じる周波数不定性の調査・低減が必要となる。そこで、今年度はまず129Xe、131Xeの両者の高偏極度を達成し、メーザー発振信号の信号-雑音非を向上させるべく、ガラスセル表面処理の最適化、形状の最適化、および偏極生成のためのポンピングレーザーの強化を行う。信号-雑音比を改善した後には、自由歳差運動に対しての周波数解析により、スピン3/2系に特徴的な3成分の周波数を分解できると期待できるため、これとメーザー発振時の周波数解析結果と比べて、狙い通り四重極相互作用による周波数変動のないm=±1/2間の遷移を抽出できていることを確認する。このようにして四重極相互作用を打ち消しつつ十分に高い信号-雑音比での129Xe、131Xeの同時メーザー発振を達成させ、本実験で生じる周波数不定性の評価を行う。特に、本研究の特色である、ガラスセル内に存在するRb原子との衝突周波数偏移が抑制できていることの確認を行う。
また、これらと並行して、129Xeおよび131Xe原子のEDMに寄与するシッフモーメントおよびCP非保存電子-クォーク間相互作用と、標準模型を超えて提案されている理論との関連について理論的な検討を前年度に引き続いて行う。

Research Products

• [Journal Article] EDM measurement in 129Xe atom using dual active feedback nuclear spin maser (2015)
  • Author(s): T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, C. Funayama, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, M. Tsuchiya, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Journal Title: Hyperfine Interactions Volume: 230 Pages: 147-153
  • DOI: 10.1007/s10751-014-1113-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of high-homogeneity magnetic field coil for 129Xe EDM experiment (2015)
  • Author(s): Y. Sakamoto, C. P. Bidinosti, Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Ohtomo, S. Kojima, C. Funayama, T. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Furukawa, A. Yoshimi, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Journal Title: Hyperfine Interactions Volume: 230 Pages: 141-146
  • DOI: 10.1007/s10751-014-1109-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] シッフモーメント (2015)
  • Author(s): 旭 耕一郎
  • Journal Title: 原子核研究 Volume: 59 Pages: 11-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Search for EDM in 129Xe using active spin maser (2015)
  • Author(s): Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, H. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Journal Title: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) Volume: 1 Pages: 37-44
• [Journal Article] Co-magnetometry with 129Xe/3He dual active spin maser technique (2015)
  • Author(s): T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, H. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Journal Title: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) Volume: 1 Pages: 80-83
• [Journal Article] Performance test of improved magnetic-field system for 129Xe EDM measurement (2015)
  • Author(s): Y. Sakamoto, C. P. Bidinosti, Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Ohtomo, S. Kojima, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, H. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Journal Title: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) Volume: 1 Pages: 84-87
• [Journal Article] Study of EDM cell with coexisting 129Xe/3He (2015)
  • Author(s): Y. Ohtomo, Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Sakamoto, S. Kojima, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, H. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Journal Title: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) Volume: 1 Pages: 88-91
• [Journal Article] Digital feedback system for active spin maser (2015)
  • Author(s): S. Kojima, T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, H. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Journal Title: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) Volume: 1 Pages: 92-95
• [Journal Article] General Solution of the Hollow Cylinder and Concentric DC Surface Current (2014)
  • Author(s): Christopher P. Bidinosti, Yu Sakamoto, and Koichiro Asahi
  • Journal Title: IEEE Mag. Lett. Volume: 5 Pages: 0800304 (4 pp)
  • DOI: 10.1109/LMAG.2014.2330346
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simple neutrino mass matrix with only two free parameters (2014)
  • Author(s): H. Nishiura and T. Fukuyama
  • Journal Title: Mod. Phys. Lett. A Volume: 29 Pages: 1450147 (6 pp)
  • DOI: 10.1142/S0217732314501478
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chiral Molecule in the Standard Model (2014)
  • Author(s): T. Fukuyama
  • Journal Title: Mod. Phys. Lett. A Volume: 29 Pages: 1450056 (13 pp)
  • DOI: 10.1142/S0217732314500564
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear electric dipole moment for the lowest 1/2+ states in Xe and Ba isotopes (2014)
  • Author(s): N. Yoshinaga, K. Higashiyama, R. Arai, E. Teruya
  • Journal Title: Phys. Rev. C Volume: 89 Pages: 045501-7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevC.89.045501
  • Peer Reviewed
• [Presentation] EDMの実験的探索の現状 (2015)
  • Author(s): 旭 耕一郎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会（シンポジウム）
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
  • Invited
• [Presentation] 129Xe/3He同時メーザー発振のためのポンピングレーザーシステムの開発 (2015)
  • Author(s): 舟山智歌子, 古川武, 佐藤智哉, 市川雄一, 大友祐一, 坂本雄, 小島修一郎, 平尾千佳, 菅野雄揮, 小峰太郎, 鈴木貴大, 近森正敏, 彦田絵里, 土屋真人, 吉見彰洋, C. P. Bidinosti, 猪野隆, 上野秀樹, 松尾由賀利, 福山武志, 旭耕一郎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 一様磁場環境下での129Xe/3He同時メーザー発振 (2015)
  • Author(s): 坂本雄, C. P. Bidinosti, 市川雄一, 佐藤智哉, 大友祐一, 小島修一郎, 舟山智歌子, 平尾千佳, 菅野雄揮, 小峰太郎, 鈴木貴大, 近森正敏, 彦田絵里, 土屋真人, 古川武, 吉見彰洋, 猪野隆, 上野秀樹, 松尾由賀利, 福山武志, 旭耕一郎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] ダブルセルにおける129Xe/3He核スピンメーザーの周波数特性 (2015)
  • Author(s): 小島修一郎, 佐藤智哉, 市川雄一, 大友祐一, 坂本雄, 舟山智歌子, 平尾千佳, 菅野雄揮, 小峰太郎, 鈴木貴大, 近森正敏, 彦田絵里, 土屋真人, 古川武, 吉見彰洋, C. P. Bidinosti, 猪野隆, 上野秀樹, 松尾由賀利, 福山武志, 旭耕一郎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 3He共存磁力計の導入による129Xe原子EDM測定実験IV (2015)
  • Author(s): 佐藤智哉, 市川雄一, 大友祐一, 坂本雄, 小島修一郎, 舟山智歌子, 平尾千佳, 菅野雄揮, 小峰太郎, 鈴木貴大, 近森正敏, 彦田絵里, 土屋真人, 古川武, 吉見彰洋, C. P. Bidinosti, 猪野隆, 上野秀樹, 松尾由賀利, 福山武志, 旭耕一郎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Performance assessment of a new laser system for efficient spin exchange optical pumping in a spin maser measurement of 129Xe EDM (2014)
  • Author(s): C. Funayama, T. Furukawa, T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, C. Hirao, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, M. Tsuchiya, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: 6th International Conference on Trapped Charged Particles and Fundamental Physics (TCP2014)
  • Place of Presentation: Kagawa International Conference Hall（香川）
  • Year and Date: 2014-12-01 – 2014-12-05
• [Presentation] 能動帰還型核スピンメーザーによる129Xe原子EDM探索実験 (2014)
  • Author(s): 佐藤智哉
  • Organizer: RCNP研究会 ”CP violation in elementary particles and composite systems”
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（茨木市）
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-11
• [Presentation] RIを用いた原子EDM探索に向けて (2014)
  • Author(s): 市川雄一
  • Organizer: RCNP研究会 ”CP violation in elementary particles and composite systems”
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（茨木市）
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-11
  • Invited
• [Presentation] EDM-素粒子と分子 (2014)
  • Author(s): 福山 武志
  • Organizer: RCNP研究会 ”CP violation in elementary particles and composite systems”
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（茨木市）
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-11
  • Invited
• [Presentation] Search for a Permanent Electric Dipole Moment in Diamagnetic Atom 129Xe (2014)
  • Author(s): K. Asahi
  • Organizer: RIKEN E3Project Seminar
  • Place of Presentation: RIKEN, Wako-shi, Saitama, Japan
  • Year and Date: 2014-10-31 – 2014-10-31
  • Invited
• [Presentation] Experimental search for EDM in diamagnetic atom 129Xe using active nuclear spin maser (2014)
  • Author(s): Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, C. Funayama, C. Hirao, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, H. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • Place of Presentation: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [Presentation] Progress of the 129Xe EDM search using active feedback nuclear spin maser (2014)
  • Author(s): T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, C. Funayama, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, M. Tsuchiya, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • Place of Presentation: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [Presentation] Performance of an active nuclear spin maser with double-cell geometry (2014)
  • Author(s): S. Kojima, T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, C. Funayama, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, M. Tsuchiya, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • Place of Presentation: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [Presentation] Performance check of cell with newly designed electrode for 129Xe EDM measurement (2014)
  • Author(s): Y. Sakamoto, C. P. Bidinosti, Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Ohtomo, S. Kojima, C. Funayama, T. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Furukawa, A. Yoshimi, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • Place of Presentation: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [Presentation] Development of a high intensity laser for efficient spin exchange optical pumping in a spin maser measurement of the 129Xe EDM (2014)
  • Author(s): C. Funayama, T. Furukawa, T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, M. Tsuchiya, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • Place of Presentation: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [Presentation] EDM measurement in 129Xe atom using dual active feedback nuclear spin maser (2014)
  • Author(s): T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, C. Funayama, T. Suzuki, M. Chikamori, E. Hikota, M. Tsuchiya, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: The 5th Joint International Conference on Hyperfine Interactions and Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions (HFI/NQI 2014)
  • Place of Presentation: Shine Dome, Canberra（オーストラリア）
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-26
• [Presentation] Development of high-homogeneity magnetic field coil for 129Xe EDM experiment (2014)
  • Author(s): Y. Sakamoto, C. P. Bidinosti, Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Ohtomo, S. Kojima, C. Funayama, T. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Furukawa, A. Yoshimi, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, K. Asahi
  • Organizer: The 5th Joint International Conference on Hyperfine Interactions and Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions (HFI/NQI 2014)
  • Place of Presentation: Shine Dome, Canberra（オーストラリア）
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-26
• [Presentation] Shell model estimate of electric dipole moments in medium and heavy nuclei (2014)
  • Author(s): E. Teruya, K. Higashiyama, N. Yoshinaga
  • Organizer: Fifteenth International Symposium on Capture Gamma-Ray Spectroscopy and Related Topics
  • Place of Presentation: ドレスデン大学（ドイツ）
  • Year and Date: 2014-08-25 – 2014-08-25
• [Presentation] キラル分子とパリテｲ非保存：現状と展望 (2014)
  • Author(s): 福山 武志
  • Organizer: J-PARC MUSEにおけるミューオン科学の新展開
  • Place of Presentation: 放送大学(千葉県)
  • Year and Date: 2014-07-30 – 2014-07-30
  • Invited
• [Presentation] Searching for New Physics BSM in Electric Dipole Moments-Lepton Part (2014)
  • Author(s): T. Fukuyama
  • Organizer: 8th g-2/EDM Collaboration Meeting
  • Place of Presentation: KEK (Tsukuba)
  • Year and Date: 2014-07-17 – 2014-07-17
  • Invited
• [Presentation] 129Xe EDM Search Experiment Using Active Nuclear Spin Maser (2014)
  • Author(s): T. Sato, Y. Ichikawa, Y. Ohtomo, Y. Sakamoto, S. Kojima, T. Suzuki, H. Shirai, M. Chikamori, E. Hikota, H.. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Mastuo, T. Fukuyama, and K. Asahi
  • Organizer: The 2nd Conference on Advances in Radioactive Isotope Science (ARIS2014)
  • Place of Presentation: 東京大学（東京）
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-06
• [Presentation] Double-cell geometry for 129Xe/3He co-magnetometry (2014)
  • Author(s): Y. Ohtomo, Y. Ichikawa, T. Sato, Y. Sakamoto, S. Kojima, T. Suzuki, H. Shirai, M. Chikamori, E. Hikota, H.. Miyatake, T. Nanao, K. Suzuki, M. Tsuchiya, T. Inoue, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Mastuo, T. Fukuyama, and K. Asahi
  • Organizer: The 2nd Conference on Advances in Radioactive Isotope Science (ARIS2014)
  • Place of Presentation: 東京大学（東京）
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-06