光格子共存磁力計を用いたフランシウム原子による電子の永久電気双極子能率探索

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J01466
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 内山 愛子 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• キーワード: 実験核物理 / レーザー冷却 / EDM / 共存磁力計 / 光格子

研究実績の概要

本研究では、次世代永久電気双極子能率（EDM）探索技術を確立し、反物質消失機構や暗黒物質の素粒子物理学的実体を解明すること目指している。今年度は、高精度EDM実験の鍵となる磁場変動測定のための光格子共存磁力計の基盤となるルビジウム(Rb)の２種同位元素の同時磁気光学トラップ(MOT)装置の開発を進めた。
今回実現を目指しているEDM測定装置は、レーザー光の定在波により生じる格子状のポテンシャルに冷却原子を閉じ込める光格子の技術を駆使する。光格子中に捕獲された原子は、これまでのEDM測定精度の限界を打ち破る可能性を持っている。その一方で、光格子中の原子は高強度の電磁場を感じるために、ベクトル光シフト(VLS)を評価する必要がある。EDM探索実験においては、磁場変動が偽EDM信号を生み出すために大きな問題となっており、共存磁力計が重要となるが、光格子中でのEDM探索実験においては、VLSも偽EDM信号を生み出す。そこで、磁場とVLSを同時に測定する磁力計が必要となる。このために、国際的にも初めての試みとなるRbの2種同位元素を用いた光格子共存磁力計を新たに提案した。
Rbの2種同位元素のトラップを短期間で実現するために、1台のレーザー光源と電気光学変調器(EOM)を用いたMOT装置の開発を行い、Rbの2種同位元素の同時MOTに成功した。同時MOTで必要となる周波数の光を得るために、EOMに必要となる3種類のRF信号を同時に入力する方法を用いていたが、この方法では、必要となる周波数当たりの出力が小さくなるという課題があった。このことを解決するために、RF信号を入力するタイミングを時間的に分離する、RF信号のスイッチングを行った。このことにより、必要な周波数当たりの出力を増加させることに成功し、トラップされる同位体の個数をそれぞれ増加させることに成功した。

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

当初の計画では、光格子磁力計の立ち上げを平成28年度に行い、その上で共存磁力計としての性能評価を行う目的で、Rbの2種同位元素の共存トラップ実験を平成29年度に行う計画であった。しかし、光格子中でのEDM測定ではVLSが測定に用いるエネルギー準位によらず発生し、取り除けないシフト量であるということが計算により明らかとなった。そこで、光格子中でのEDM探索実験においては、磁場とVLSの同時計測を行うために、光格子共存磁力計自体に異種同位元素を用いることが非常に重要であると判断し、2種同位元素の共存トラップを実現することを優先した。
結果として、2種同位元素の同時磁気光学トラップを予定より早く達成することができた。また、トラップ個数を増加させるために行った、RF信号のスイッチングも効果的に働き、光格子共存磁力計の開発に用いる最低限の個数は確保することができた。
また、光格子技術についても開発が進み、光格子中にRb原子が捕獲されたことを確認できた。この光格子技術とRbの2種同位元素の同時MOTを組み合わせることで、2種同位元素を光格子中に確実に捕獲できると考えている。
以上のように、当初の計画と順序を入れ替える結果となったが、2種同位元素を用いて光格子共存磁力計の開発を行う準備が順調に整い、進捗状況としてはおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

平成29年度は光格子共存磁力計の実現のために、光格子中に捕獲した原子を共存磁力計として用いるための測定手法の技術の確立を目指す。原子とレーザーを用いた磁力計としては、これまでにパラフィンで内壁をコーティングしたガラスセルに封入したRb蒸気を用いて、測定方法に関する研究を行ってきた。これを平成28年度までの開発で可能となった光格子中に捕獲したRb原子に置き換えて研究を行う。光格子中に捕獲された原子は、ガラスセル中の原子と比較して空間中に局在化しているため、より局所的な磁場を測定できる。また、レーザーの波長程度の格子間隔でトラップされるので、原子間のスピン相互作用による減偏極を抑え測定時間を伸ばすことができ、さらに、原子同士の衝突による影響も抑えられるため、ガラスセル中の原子を用いた場合よりも高感度な磁力計の実現が見込まれる。
最終年度には、2種同位元素を用いた光格子共存磁力計により、磁場とVLSがそれぞれ計測できることを確認する。また、静電場の大きさにも感度のあるエネルギー準位を用いて磁場測定を行うことで、EDM測定において重要な静電場印加装置の動作確認を行う。以上の開発を進め、世界初となる光格子共存磁力計を用いたEDM探索技術の確立を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Parity-nonconserving interaction induced light shifts in the 7S1/2 - 6D3/2 transition of the ultracold 210Fr atoms to probe new physics beyond the standard model (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Aoki, Y. Torii, B. K. Sahoo, B. P. Das, K. Harada, T. Hayamizu, K. Sakamoto, H. Kawamura, T. Inoue, A. Uchiyama, S. Ito, R. Yoshioka, K. S. Tanaka, M. Itoh, A. Hatakeyama, and Y. Sakemi
  • 雑誌名: App. Phys. B 巻: 123 ページ: 120
  • DOI: 10.1007/s00340-017-6673-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Light shifts induced by nuclear spin-dependent parity-nonconserving interactions in ultracold Fr for the detection of the nuclear anapole moment (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Aoki, Y. Torii, B. K. Sahoo, B. P. Das, K. Harada, T. Hayamizu, K. Sakamoto, H. Kawamura, T. Inoue, A. Uchiyama, S. Ito, R. Yoshioka, K. S. Tanaka, M. Itoh, A. Hatakeyama, and Y. Sakemi
  • 雑誌名: Asian J. Phys. 巻: 25 ページ: 1247-1258
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Are there nuclear structure effects on the isoscalar giant monopole resonance and nuclear incompressibility near A ～ 90? (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Gupta, U. Garg, K. B. Howard, J. T. Matta, M. Senyigit, M. Itoh, S. Ando, T. Aoki, A. Uchiyama, S. Adachi, M. Fujiwara, C. Iwamoto, A. Tamii, H. Akimune, C. Kadono, Y. Matsuda, T. Nakahara, T. Furuno, T. Kawabata, M. Tsumura, M. N. Harakeh, N. Kalantar-Nayestanaki
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 760 ページ: 482-485
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2016.07.021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 電子の永久電気双極子能率探索のための冷却ルビジウム共存磁力計に向けた85Rb, 87Rbの同時磁気光学トラップ (2017)
  • 著者名/発表者名: 内山愛子, 原田健一, 坂本幸祐, 伊藤沙希, 伊藤正俊, 井上壮志, 川村広和, 田中香津生, U. Dammalapati, 吉岡里紗, 青木貴稔, 畠山温, 高橋義朗, 酒見泰寛
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-20
• [学会発表] 電子の永久電気双極子能率探索のためのレーザー冷却ルビジウム原子を用いた共存磁力計の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内山愛子
  • 学会等名: 第23回東京大学素粒子物理国際研究センターシンポジウム
  • 発表場所: 岳美山荘（長野県白馬村）
  • 年月日: 2017-02-19
• [学会発表] Development of a dual isotope co-magnetometer using laser cooled rubidium toward electron electric dipole moment search using francium (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Uchiyama, K. Harada, K. Sakamoto, T. Inoue, S. Ito, M. Itoh, H. Kawamura, K. S. Tanaka, U. Dammalapati, R. Yoshioka and Y. Sakemi
  • 学会等名: 9th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA)
  • 発表場所: 京都大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2017-01-09
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a dual isotope rubidium co-magnetometer toward electron EDM search using laser cooled francium (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Uchiyama, K. Harada, K. Sakamoto, T. Inoue, S. Ito, M. Itoh, H. Kawamura, K. S. Tanaka, U. Dammalapati, R. Yoshioka and Y. Sakemi
  • 学会等名: Physics of fundamental Symmetries and Interactions - PSI2016
  • 発表場所: Villigen（スイス）
  • 年月日: 2016-10-18
  • 国際学会
• [学会発表] 時間反転対称性の破れの探索に向けたルビジウム磁力計の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 内山愛子
  • 学会等名: 日本物理学会・宮崎大会
  • 発表場所: 宮崎大学（宮崎県宮崎市）
  • 年月日: 2016-09-23
  • 招待講演
• [学会発表] Search for the permanent electric dipole moment of laser cooled francium atom (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Uchiyama, K. Harada, T. Inoue, U. Dammalapati, M. Itoh, S. Ito, H. Kawamura, K. Sakamoto, K. S. Tanaka, R. Yoshioka, T. Aoki, A. Hatakeyama, K. Asahi, A. Yoshimi, and Y. Sakemi
  • 学会等名: High Sensitivity Experiments Beyond the Standard Model - HISEBSM 2016
  • 発表場所: Quy nhon（ベトナム）
  • 年月日: 2016-08-02
  • 国際学会
• [備考] CYRIC測定器研究部
  • URL: http://cycgw1.cyric.tohoku.ac.jp/