光格子によるレーザー冷却放射性元素の次世代電気双極子能率探索

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26220705
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 酒見 泰寛 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 教授 (90251602)
• 研究分担者: 青木 貴稔 東京大学, 総合文化研究科, 助教 (30328562) ; 伊藤 正俊 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 助教 (30400435) ; 川村 広和 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50586047) ; 井上 壮志 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (80637009)
• 研究期間 (年度): 2014-05-30 – 2019-03-31
• キーワード: EDM / 光双極子トラップ / ラムゼー共鳴 / フランシウムイオン源 / 共存磁力計

研究実績の概要

本研究は、電子の永久電気双極子能率（EDM）を～10の-29乗e・cmの精度で測定することで、物質・反物質対称性（CP対称性）の破れの機構を調べ、同時に、超対称性粒子を～10TeVスケールまで探索することを目的としている。今年度は、①Fr生成収量の増強、②偏極保持時間の増大、③高感度磁場測定の３つの開発を進めた。
①に関しては、Fr生成イオン源と中性化装置・磁気光学トラップ装置（MOT）の間、約７m程度を接続するビーム輸送系に、磁場と電場を組み合わせた質量分析装置の導入を行い、Frビームの純度向上に成功した。また、表面電離イオン源から引き出されるビームの主要な成分は、イオン源の構成部品からの不純物であることがわかり、イオン源の改造の指針をたてることができた。
②に関して、以下の３つの観点で、開発研究を進めた。まず、光双極子トラップ（ODT）の開発を行った。EDMを測定するための光のみのポテンシャルによるトラップ手法であるが、Rbを用いてODTを実現した。トラップ個数と原子温度を評価し、トラップ光源のレーザー強度を増強し、予備冷却のMOTのトラップ領域サイズを大きくすることで、さらにトラップ個数を増大することが可能であることがわかった。次に、蓄積セルのガラス壁面をコーティングすることで、一旦吸着されたアルカリ原子が、再度、放出される確率が高くなり、トラップ効率を向上させることを確認した。さらに、MOT中で、EDM測定用高電場印可のための透明電極を導入し、40kV/cmの電場の安定印可に成功した。また、トラップRb原子のシュタルクシフトを測定し、トラップ原子集団に関して、所定の電場がかかっていることを確認できた。
③に関して、非線形磁気光学（NMOR）を用いた高感度磁力計の開発を進めた。また、ラムゼー共鳴法を用いた磁場測定の手法の検討を進めた。

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

本研究の目標は、電子EDMを10の-29乗e・cmの精度で測定する次世代技術を確立することである。本計画では、レーザー冷却RI（放射性同位元素）を用いて、統計誤差・系統誤差ともに、これまでの原子・分子ビームを用いた測定精度の限界を超える。この実現には、大強度フランシウム（Fr）源、長いコヒーレンス時間、そして超高感度磁場測定の実現が鍵となる。これまで、すでにFr生成と冷却原子トラップは実現しているが、これらの技術を基盤に、先端技術を開発していく必要がある。
大強度Fr源の実現には、終段の磁気光学トラップ（MOT）へ、導入効率・トラップ効率をよくするために、低速・高輝度Fr原子ビームを生成する必要があるが、このとき、このビームの純度（Frの含まれる割合）をよくする事が、トラップ効率向上に必須雨である。今回の研究で、質量分析装置をビーム輸送系に導入し、このビーム純度を格段にあげることができたことは、Fr源増強を確実にするものである。
またコヒーレンス時間を長くするためには、真空中に局所的に高密度に中性原子をトラップすることで、蓄積セルの内壁と原子との衝突・相互作用による減偏極が減り、緩和時間を格段に伸ばすことができる。本計画では、光の定在波で形成される３次元光格子ポテンシャルによる冷却RIトラップの実現を目指している。今年度は、３次元光格子と同等の技術であり、１次元の光格子とも言える光双極子トラップを実現し、そのトラップ個数・時間を評価することで、EDM測定に必要な課題をクリアにしたことは、重要なステップと判断できる。
またトラップ原子集団の近傍に設置するNMOR型磁力計と、光格子にRbを同時に導入してそのスピン歳差を測定することで磁気変動をリアルタイムにモニターする共存磁力計の開発を予定どおり進めており、全体として、多くの構成要素の技術深化を順調に進めている。

今後の研究の推進方策

本研究は、目標のEDM測定精度を実現する上で、①大強度Fr源の実現、②EDM測定手法の確立、③磁気シールドと高感度磁力計の３つの高度な技術の確立、および、統合が重要である。５年間の事業期間で、効率よくこれらの３項目の開発・統合を進めるために、加速器からのビーム供給が必要なオンライン実験①と、Frと化学的性質の類似したRbで開発研究を推進できるオフライン実験②③の二手に分かれて、３年目まで、独立して研究を集中して進める。４年目で、これらの３つの項目のシェークダウンを行い、総合テスト実験を実施し、系統誤差の評価を行う。そして、最終年度で、長時間データ収集を行い、光格子によるFr EDM探索実験を世界に先駆けて実施する。
①に関して、Fr生成用イオン源は、融解型標的を実現し、世界最高レベルでの引き出し効率を実現し、所定の性能の見通しをたてているが、長時間安定運転に向けて、イオン源の構造、材料の最適化をここ２年で進める。また１次ビーム（18Oビーム）の高輝度化が、引き出しFrビームの小エミッタンス化、そしてMOTへの導入効率の向上を実現するが、これは概算要求等による加速器高度化での性能向上を目指す。
②に関しては、ラムゼー共鳴による高精度周波数測定を行うが、現在、MOTで一旦トラップした冷却原子集団に関して、すでにラムゼー共鳴による周波数測定を実現している。今後、光双極子トラップ、光格子へと展開し、段階的に技術を着実に高めていく。
③の磁場変動に対する対策は、磁気シールドの整備と、磁力計の開発の２つを実施する。磁気シールドは、先行する実験グループとの共同研究により、速やかに設計・製作を２年目・３年目で行う。磁力計は、光格子での共存磁力計の開発という世界でも初めての挑戦になるが、NMOR型磁力計の開発と、Rbセルのラムゼー共鳴測定による磁力計の検討の２つを並行して行い、着実に進める。

研究成果

• [雑誌論文] Experimental search for the electron electric dipole moment with laser cooled francium atoms (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Hayamizu, T. Ishikawa, M. Itoh, K. Kato H. Kawamura, A. Uchiyama, T. Aoki, K. Asahi, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, H.S. Nataraj, T. Sato, Y. Shimizu, T. Wakasa, H.P. Yoshida, A. Yoshimi, Y. Sakemi
  • 雑誌名: Hyperfine Interact. 巻: 231 ページ: 157-162
  • DOI: 10.1007/s10751-014-1100-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 電子の永久電気双極子能率の上限値を更新 (2015)
  • 著者名/発表者名: 酒見泰寛
  • 雑誌名: パリティ（丸善） 巻: 30 ページ: 4-8
• [雑誌論文] Development of the Measurement System for the Search of an Electric Dipole Moment of the Electron with Laser-Cooled Francium Atoms (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Hayamizu, T. Ishikawa, M. Itoh, K. Kato, T. Kato, H. Kawamura, H.S. Nataraj, T. Sato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y. Shimizu, T. Wakasa, H.P. Yoshida, and Y. Sakemi
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 66 ページ: 05008
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1051/epjconf/20146605008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Search for a permanent EDM using laser cooled radioactive atom (2014)
  • 著者名/発表者名: Hirokazu Kawamura, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Hayamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, K. Kato, T. Kato, H. S. Nataraj, T. Sato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, and Y. Sakemi
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 66 ページ: 05009
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1051/epjconf/20146605009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Radioactive ion beam transportation for the fundamental symmetry study with laser trapped atoms (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Arikawa, S. Ando, T. Aoki, S. Ezure, K. Harada, T. Hayamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, H. Kawamura, K. Kato, T. Kato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, H. S. Nataraj, T. Sato, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida and Y. Sakemi
  • 雑誌名: Rev. Sci. Instrum. 巻: 85 ページ: 02A732
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4852218
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laser cooled francium factory for the electron electric dipole moment search (2014)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Hayamizu, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, T. Kato, H. Kawamura, T. Sato, S. Ando, T. Aoki, K. Kato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, H. S. Nataraj, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, and Y. Sakemi
  • 雑誌名: JPS conf. proc. 巻: 1 ページ: 013065
  • DOI: http://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSCP.1.013065
  • 査読あり
• [学会発表] 電子EDM探索に向けた冷却原子を用いたラムゼーフリンジの観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 早水友洋、酒見泰寛 et al.
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] フランシウムを用いた電子EDM探索に向けたルビジウム磁力計の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 内山愛子、酒見泰寛 et al.
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Fr原子MOTに向けたEOMの10次サイドバンドを用いた46GHzオフセットロック (2015)
  • 著者名/発表者名: 原田健一、酒見泰寛 et al.
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Development of the optical magnetometer toward measurements of the electric dipole moment (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue et al.
  • 学会等名: The sixth international conference on Trapped Charged Particles and Fundamental Physics (TCP2014)
  • 発表場所: Takamatsu, Japan
  • 年月日: 2014-11-28 – 2014-12-05
• [学会発表] Magneto-optical trapping of radioactive atoms for test of the fundamental symmetries (2014)
  • 著者名/発表者名: H.Kawamura et al.
  • 学会等名: The sixth international conference on Trapped Charged Particles and Fundamental Physics (TCP2014)
  • 発表場所: Takamatsu, Japan
  • 年月日: 2014-11-28 – 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] レーザー冷却原子によるCP対称性破れの探索 (2014)
  • 著者名/発表者名: 川村広和 et al.
  • 学会等名: CPV2014
  • 発表場所: 阪大RCNP
  • 年月日: 2014-11-10 – 2014-11-11
• [学会発表] レーザー冷却原子による素粒子・原子核物理研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 酒見泰寛
  • 学会等名: 研究会「新しい光科学の創成とナノ情報デバイスへの展開」
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2014-10-30 – 2014-10-31
• [学会発表] Search for a permanent EDM with laser cooled radioactive atom (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Sakemi
  • 学会等名: Fourth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village on Hawaii’s Big Island
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
  • 招待講演
• [学会発表] Towards the measurement of the electron EDM with laser cooled francium atoms (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kawamura et al.
  • 学会等名: Fourth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village on Hawaii’s Big Island
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Rb atomic magnetometer toward EDM experiment with laser cooled francium atoms (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue et al.
  • 学会等名: Fourth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village on Hawaii’s Big Island
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Development of an electric field application system with transparent electrodes towards the electron EDM measurement with laser-cooled Fr atoms (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa, Y.Sakemi et al.
  • 学会等名: Fourth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village on Hawaii’s Big Island
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Development of a neutralizer and the magneto optical trap system toward the EDM search (2014)
  • 著者名/発表者名: T.Aoki, Y.Sakemi et al.
  • 学会等名: Fourth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII2014)
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village on Hawaii’s Big Island
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
• [学会発表] Laser cooling and trapping of radioactive francium atoms towards search for violation of fundamental symmetries (2014)
  • 著者名/発表者名: K.Harada, Y.Sakemi et al.
  • 学会等名: 11th Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics (AISAMP11)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [学会発表] Light induced desorption of alkali atoms from OTS coated cell for the electron electric dipole moment search (2014)
  • 著者名/発表者名: K.Kato, Y.Sakemi et al.
  • 学会等名: 11th Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics (AISAMP11)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [学会発表] Rubidium magnetomter based on a nonlinear magneto-optical rotation effect for an electric dipole moment search (2014)
  • 著者名/発表者名: A.Uchiyama, Y.Sakemi et al.
  • 学会等名: 11th Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics (AISAMP11)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [学会発表] Experimental search for the electron electric dipole moment with laser cooled francium atoms (2014)
  • 著者名/発表者名: T.Inoue et al.
  • 学会等名: HFI/NQI2014
  • 発表場所: Canberra, Australia
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-26
• [学会発表] Towards the measurement of the electric-dipole moment of radioactive francium using laser-cooling and trapping techniques (2014)
  • 著者名/発表者名: H.Kawamura et al.
  • 学会等名: ARIS(Advances in Radioactive Isotope Science)2014
  • 発表場所: Hongo, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-06
• [学会発表] Development of magnetometer based on the nonlinear magneto-optical rotation effect toward measurements of the electric dipole moment (2014)
  • 著者名/発表者名: T.Inoue et al.
  • 学会等名: ARIS(Advances in Radioactive Isotope Science)2014
  • 発表場所: Hongo, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-06
• [学会発表] Development of laser light sources for trapping radioactive francium atoms towards tests of fundamental symmetries (2014)
  • 著者名/発表者名: K.Harada, Y.Sakemi et al.
  • 学会等名: ARIS(Advances in Radioactive Isotope Science)2014
  • 発表場所: Hongo, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-06
• [備考] CYRIC測定器研究部
  • URL: http://cycgw1.cyric.tohoku.ac.jp/index-j.html