原子の電気双極子能率探索による基本対称性の研究

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13J09743
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 佐藤 智哉 東京工業大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 電気双極子モーメント / EDM / CPの破れ / スピンメーザー / 光ポンピング / 磁力計

研究実績の概要

本研究では宇宙の物質・反物質非対称性の起源解明のため、129Xe原子の永久電気双極子能率（EDM）の測定を目指している。現状でEDM測定精度を制限しているのは測定環境の長期変動、特に外部環境磁場変動および偏極Rb原子との接触による周波数偏移であると分かってきた。このため、129Xe原子と同一セルに3He原子を封入し同時メーザー発振を行い参照系とする3He共存磁力計、およびセルを偏極生成部と歳差検出部に空間的に分離し検出部でのRb偏極の抑制・操作を可能とするダブルセル構造を導入した。
本年度は電極付きセルの性能評価およびシステム全体の最適化を行った。1.EDM測定に必要な電場を印加する電極素材の検討を行った。電極は長い3He縦緩和時間が得られること、歳差検出部におけるRb偏極度操作のため透明なこと、高温・レーザー照射環境下で安定であることが求められる。様々な電極を用い断熱高速通過型NMRにより評価を行った結果、フッ素ドープ酸化スズ電極を使用すれば約10000秒の3He縦緩和時間が得られることを見いだし、更に測定に必要な90℃程度の環境でも長時間安定であることを確認した。2.メーザー性能評価のため、様々なガス圧、セル形状、レーザー光条件での測定を行い、同時メーザー安定発振条件を探索した。3.偏極Rbとの衝突によるメーザー周波数偏移の大きさは特にRb原子の数密度即ち温度変動に敏感であるため、PID制御による温度安定化機構を導入した。これにより温度安定性は0.01度以下となり、10000秒程度測定を継続した場合でセル温度変動に起因する周波数不定性を170 nHzまで抑制することに成功した。
以上の開発の結果、ダブルセル形状EDMセルにおいて129Xe/3He同時メーザー発振に成功した。現在メーザー周波数決定精度や系統誤差の評価を行いEDM測定スキームの検討・評価を行っている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ダブルセルの形状や封入ガス圧によるセル性能の変化、電極素材の選定やそれを用いたセル製作手順の検討を進め、その定量的評価手法を開発し系統的な性能測定を行うことで、十分高いメーザーS/Nを持ち、更に高温及び高強度レーザー照射下においても長期間のEDM測定に耐えうる一定の性能を持つセルの継続的な製作が可能となった。
基礎セットアップの整備が完了し、更に129Xeと3Heの2核種同時メーザー発振が透明電極付きダブルセル形状EDMセルで達成されたことにより、これまで個別に開発を行ってきた要素が統合され、実際の測定環境下におけるメーザー周波数決定精度及び系統誤差によるEDM偽信号の除去について検証を行う段階に達した。現状のセットアップを用いた、EDM測定スキームの検討・検証、EDM解析手法の開発が開始されており、より温度安定度の高いセル加熱方法や偏極生成・核スピン歳差検出レーザーの安定化の必要性等、EDM測定精度の更なる向上に向けて取り組むべき課題も明らかとなった。
EDM測定へ向けた要素開発及びその統合は着々と進行しており、計画全体の進展はおおむね順調であると言える。

今後の研究の推進方策

現在までに、3He共存磁力計を用いた129Xe原子EDM測定のための最小構成要素となるセットアップの構築は達成されている。今後は、このセットアップをより系統誤差を抑制できる構成に順次アップグレードしつつ測定を継続する。セットアップの改善は、セル温度制御方法の温風直接吹き付け方式からセル直近を取り囲む壁を暖める間接加熱方式への変更（Rb数密度の安定化）、プローブ部分に入射しているRb編極度操作用レーザー偏光の変調（Rb偏極度の低減）、歳差運動観測用レーザーの強度安定化（メーザー信号取得系の安定化）、偏極生成用レーザーの大強度化（メーザー信号S/Nの向上）等を行う予定である。
EDMセルについても現状の素材、形状、制作方法で一定の性能が得られるようになっているが、電極接着方法や封入ガス圧等は最適化の余地があるため、開発を継続する。
測定条件を変更した測定を系統的に行い、メーザー周波数決定精度向上とEDM擬似シグナル低減のための最適条件を探索しつつ、電場印加下において129Xe/3He同時メーザー発振を行いEDM測定を実現する。更に、得られた信号からEDMを抽出する解析方法の開発を完了し、系統誤差の検討・評価を行った後に129Xe原子EDMの値もしくは上限値を決定する。

研究成果

• [雑誌論文] EDM measurement in 129Xe atom using dual active feedback nuclear spin maser (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Hyperfine Interactions 巻: 230 ページ: 147-153
  • DOI: 10.1007/s10751-014-1113-9
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of high-homogeneity magnetic field coil for 129Xe EDM experiment (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Hyperfine Interactions 巻: 230 ページ: 141-146
  • DOI: 10.1007/s10751-014-1109-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] 129Xe EDM Search Experiment Using Active Nuclear Spin Maser (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 6 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Double-cell geometry for 129Xe/3He co-magnetometery (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 6 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Search for EDM in 129Xe using active spin maser (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) 巻: 1 ページ: 37-44
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Co-magnetometry with 129Xe/3He dual active spin maser technique (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) 巻: 1 ページ: 80-83
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Performance test of improved magnetic-field system for 129Xe EDM measurement (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) 巻: 1 ページ: 84-87
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Study of EDM cell with coexisting 129Xe/3He (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) 巻: 1 ページ: 88-91
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Digital feedback system for active spin maser (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proceedings of 7th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014) 巻: 1 ページ: 92-95
  • 謝辞記載あり
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス、東京都新宿区
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 一様磁場環境下での129Xe/3He同時メーザー発振 (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス、東京都新宿区
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス、東京都新宿区
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 3He共存磁力計の導入による129Xe原子EDM測定実験IV (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス、東京都新宿区
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Performance assessment of a new laser system for efficient spin exchange optical pumping in a spin maser measurement of 129Xe EDM (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 6th International Conference on Trapped Charged Particles and Fundamental Physics (TCP2014)
  • 発表場所: Kagawa International Conference Hall、香川県高松市
  • 年月日: 2014-12-01 – 2014-12-05
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤智哉
  • 学会等名: RCNP研究会 “CP violation in elementary particles and composite systems”
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター、大阪府茨木市
  • 年月日: 2014-11-10 – 2014-11-11
• [学会発表] Experimental search for EDM in diamagnetic atom 129Xe using active nuclear spin maser (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Progress of the 129Xe EDM search using active feedback nuclear spin maser (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Performance of an active nuclear spin maser with double-cell geometry (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Performance check of cell with newly designed electrode for 129Xe EDM measurement (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Development of a high intensity laser for efficient spin exchange optical pumping in a spin maser measurement of the 129Xe EDM (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 4th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII 2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village, Hawaii（米国）
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] EDM measurement in 129Xe atom using dual active feedback nuclear spin maser (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 5th Joint International Conference on Hyperfine Interactions and Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions (HFI/NQI 2014)
  • 発表場所: Shine Dome, Canberra（オーストラリア）
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-26
• [学会発表] Development of high-homogeneity magnetic field coil for 129Xe EDM experiment (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 5th Joint International Conference on Hyperfine Interactions and Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions (HFI/NQI 2014)
  • 発表場所: Shine Dome, Canberra（オーストラリア）
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-26
• [学会発表] 129Xe EDM Search Experiment Using Active Nuclear Spin Maser (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 2nd Conference on Advances in Radioactive Isotope Science (ARIS2014)
  • 発表場所: 伊藤国際学術センター、東京都文京区
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-06
• [学会発表] Double-cell geometry for 129Xe/3He co-magnetometery (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 2nd Conference on Advances in Radioactive Isotope Science (ARIS2014)
  • 発表場所: 伊藤国際学術センター、東京都文京区
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-06
• [備考] 東京工業大学大学院理工学研究科基礎物理学専攻旭研究室ホームページ
  • URL: http://yap.nucl.ap.titech.ac.jp/AsahiLabJ/