| 研究課題/領域番号 |
19H05601
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
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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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
反物質消失の機構、暗黒物質の素粒子的実体を解明するために、物質・反物質対称性を破る観測量である基本粒子の永久電気双極子能率（EDM）を探索する。特に、重元素・フランシウムでは、相対論効果や原子核における８重極変形効果により、電子や核子のEDMが増幅されることに着目し、原子を用いたEDMの新しい量子センシング技術を確立する。
本年度は、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）標的の表面清浄化、等の開発を進め、すべての装置の動作確認を行いトラップ効率の向上を行った。①は、ECRイオン源のプラズマチェンバー内に、バッファーガス導入を行うことで、引き出し18Oビーム強度の増強を実現した。②は、Frを生成する表面電離イオン源の引き出し電極を分割し、その２枚の電極に高周波をかけることで、K、Rb等、Frより軽いイオンに関しては、効率よく除去し、Frのみを下流に輸送できることを実証した。③は、Y表面が酸化や汚染されることで、Yの仕事関数が変化することで、電子再結合の効率が著しく悪くなることを確認し、Arイオン銃を用いて、事前にY表面をスパッタリングすることで、不純物を除去し、電子再結合を所定の効率で行えることを確認した。
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実現した。また、225Acを用いた221Fr-MOTの実験装置も完成し、オフラインでのFr-MOT実験の準備を整えた。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は、210Frにおいて、相対論効果により電子EDMの増幅度が高いこと、そして同位体である221Frでは、中性子数が増えることで原子核の変形（８重極変形）効果が大きくなり、原子核のEDM（クォーク色電荷により生じる原子核のシッフモーメント）が増幅されることに着目して、レーザー冷却FrのEDM量子計測技術の確立を目指している。
今回、このEDM測定の心臓部である２種類（210Fr/221Fr）の冷却Fr源の開発を完了し、EDM量子計測技術に必要な共存磁力計の開発が進んだことで、おおむね予定通り、進展していると判断している。
210Frの冷却原子源は、理研・AVFサイクロトロンから供給される18ビームによる核融合反応を用いたFr生成・オンラインレーザー冷却・トラップのビームラインで構成されるが、すべて装置の開発は完了し、機器制御・データ収集系も完備した。今回、各構成要素の効率向上を目指した性能評価、高度化を行い、Frトラップ効率向上、Fr生成の安定供給を実現した。また、221Frは、そのgeneratorである225Acの放射性同位元素の日本アイソトープ協会からの供給が停止したため、東北大・金属材料研究所・アルファ放射体実験室における225Ac製造、理研・ホットラボでの高強度Ac線源開発、そして、221FrのオフラインMOT実験装置の開発をすべて完了し、さらに、400m離れたレーザー光源室からのトラップ光の伝送を光ファイバーにより可能にした。すでに、Rbを用い、ホットラボ・グローブボックス内に設置したMOTで、トラップを確認し、221FrのMOTの実証ができる段階になっている。
さらに、EDM測定系で重要な共存磁力計の開発では、これまでFrとは異なる異種原子としてルビジウムをトラップできるyようにしていたが、それに加えて、セシウム原子も共存トラップできる光源開発が完了した。
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| 今後の研究の推進方策 |
光格子原子干渉計による新しいEDM探索手法の確立は、①２種類のレーザー冷却Fr源（210Fr/221Fr）の実現、②光格子原子干渉計の開発、③共存磁力計の実装の３つを有機的に連携させる必要がある。これまで、この３つの開発は、順調に進んでおり、今年度は、各構成要素の性能向上と、この３つの構成装置のハンドシェイクによる総合動作試験と実証を行う。
①に関しては、2022年度に解決してきた電子再結合の効率を向上させる方法として、Y標的表面の清浄化を行う手順を確立し、MOTでの捕獲Fr数の増強を継続して行う。②は、オフラインでRbを用いた一次元光格子によるラムゼー分光を確認し、①と②を連動させ、オフラインでRbを用いた表面電離、電子再結合、MOT、光格子、ラムゼー分光まで、一連の動作確認、そして系統誤差の評価を進める。さらに、Frを用いて、国際的に初めての挑戦となるFrの光格子実験を行う。また、共存磁力計の実証を行うため、③において、MOTでのRb/Csの２種原子トラップを確認後、②と③を連携して、光格子での２種原子同時トラップと、ファラデー回転によるスピン歳差周期測定を行い、共存磁力計の原理実証を行う。最終段として、①②③を連動し、加速器オンライン実験において、Frを生成しながら、Rb/Csを光格子に共存トラップし、そのラムゼー分光を行うことで、光格子原子干渉計と共存磁力計を用いたEDM探索手法の確立を行う。
次世代EDM測定技術の確立を進めながら、理論的にFr-EDMから電子EDM、そしてシッフモーメントを抽出する解析手法を確立するために、210Frにおいて進めた相対論的結合クラスター理論による電子EDM増幅度の高精度理論計算を、221Frに関しても展開し、221Frにおける原子核の８重極変形によるシッフモーメントの増幅度の評価を行う。
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