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

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26220705
• 研究機関: 東京大学
• 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)
• 研究分担者: 田中 香津生 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 (20780860) ; 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) ; 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, 准教授 (30400435) ; 青木 貴稔 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (30328562) ; 畠山 温 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70345073)
• 研究期間 (年度): 2014-05-30 – 2019-03-31
• キーワード: 実験核物理 / 素粒子実験 / 電気双極子能率 / レーザー冷却重元素 / 光格子

研究実績の概要

フランシウム（Fr）原子の永久電気双極子能率（EDM）を探索し、反物質消失機構の解明、未知素粒子の質量階層構造を調べるために、測定感度～10の-30乗ecmを実現する次世代のEDM測定技術を確立する。その技術課題は、大強度冷却Fr源の実現（10の６乗個以上）、高分解能原子干渉計、そして共存磁力計の開発が鍵となる。今年度は、大強度Fr生成に関して、引き出し電極形状を最適化した表面電離イオン源の開発を行い、引き出し効率、ビーム輸送効率の改善に成功した。特に、残留ガスや一次ビームスパッタリングによる電極の汚れを抑制する構造とし、リーク電流の増大を抑え、これまで問題であった長時間安定動作に成功した。さらにFrのトラップには、２つの共鳴周波数のレーザーが必要になるが、今回、この２つのレーザーの周波数を固定してトラップ周波数をサーチできる周波数オフセットロックの技術開発に成功し、安定したFrトラップの実現を可能にした。EDM測定には、ラムゼー共鳴法を用いるが、その周波数分解能の向上には、原子スピン歳差周期の測定時間（相互作用時間）を増大することが鍵となっている。これまで、磁気光学トラップで捕獲した局所原子集団の開放系からのラムゼー共鳴で測定を行なっていたため、その相互作用時間～100usで測定精度が限界に達していた。今年度、トラップ手法を光双極子力トラップ（ODT）、光格子（OL）へと発展させ、安定原子ルビジウムを用いて１０秒以上の相互作用時間を実現することに成功し、周波数分解能の向上への見通しをつけた。また、系統誤差の主要な要因となる磁場変動をオンラインでモニターする共存磁力計に関して、２種類のRb同位元素をトラップすることで、磁場変動によるゼーマンシフトとともに、光格子中の高電場による周波数変異（光ベクトルシフト）を分離して評価できる磁力計の検討、原理実証に向けて開発を進めた。

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

事業期間の最初の３年間で、光格子重元素を用いた次世代EDM探索装置の構成要素の開発を予定しており、4年目にそれらの統合、総合動作試験、系統誤差の評価を行いながら、最終年度でのEDM測定着手に進めて行く予定となっている。この実験装置の構成要素は、加速器実験技術、原子物理実験技術、量子エレクトロニクス実験技術と多岐に広がっており、上流からFrイオン源、高純度２次ビーム輸送系、高輝度低速中性原子ビーム生成装置、大強度磁気光学トラップ（MOT） 、光双極子力トラップ（ODT）、光格子（OL）、原子干渉計、共存磁力計、高遮蔽率磁気シールドで構成されている。この３年間で、おおむね、これらの構成要素の開発は終わり、現在、その性能向上を向けた各装置の高度化を進めている。現状で、EDM測定に必要な実験パラメータ実現の見通しは立っており、順調に進んでいると判断される。なお、一点、想定外の磁場変動の要因が生じてきた。磁場変動は、原子の磁気モーメントと結合して、外場によるエネルギー（周波数）変位の大きな要因となり、EDM測定の系統誤差の主要因となっている。実験施設がある東北大学・CYRICでは、地下150m程度のところに、新しく仙台市営地下鉄が運行を開始し、この地下鉄の加減速、そして隣接して作られた変電所の影響で、磁気シールドでは遮蔽しきれない磁場変動が生じることを確認した。そこで、仙台市交通局、東北電力等と交渉、地下鉄磁場変動の環境補償に関して議論を重ね、仙台市からアクティブ磁場キャンセラーの設置導入を補償いただくことで、解決した。すでに、このキャンセラーの開発、設置は行われており、所定の磁場変動に収まることを確認している。この結果、すべての構成要素の基盤開発は予定通りに行われていると考えている。

今後の研究の推進方策

今後は、各構成要素の連動した動作試験と、所定のEDM測定精度を実現するための実験パラメータの最適化を進めて行く。実験パラメータとして重要なものは、①測定対象であるFrのトラップ個数～10の6乗個の実現、そして②原子干渉計の周波数分解能の向上～これにはラムゼー共鳴を測定するための相互作用時間～１秒の実現、さらに③共存磁力計の開発、これらの３つが鍵となる。①のFrトラップ個数の増強に関して、今年度進めた周波数オフセットロックによるMOTのトラップレーザー周波数安定化とともに、蓄積セル内壁にコーティングを施すことで、Frのようなアルカリ原子が内壁表面に吸着されるのを防ぎ、衝突後、跳ね返って、トラップ領域に再度通過する確率を高めることで、トラップ効率の向上を実現する。さらに、現在進めている光誘起脱離現象を利用し、蓄積セル内壁にレーザーを照射することで、吸着したFrを再脱離させる技術確立を進め、コーティングと光誘起脱離を組み合わせたレーザー冷却Fr源増強技術を確立する。②に関しては、ODT、OLという、相互作用時間（トラップ寿命）が長い原子捕獲技術を確立したので、今後、これらのトラップ原子によるラムゼー共鳴を用いた周波数分解能の測定を行い、EDM測定感度の評価を進めて行く。特に、光格子（OL）に関しては、現在、１次元OLを実現しているが、トラップ原子集団の個数を多くするために、１方向のみでなく、３軸方向に対抗する光を導入し定在波を発生させることで実現する３次元OLの開発を進める。さらに、③の共存磁力計に関して、２種類のRb同位体を同時トラップすることで、ゼーマンシフトと光ベクトルシフトを分離して評価し、EDMによるエネルギー（周波数）シフトを高精度に抽出するデュアル共存磁力計の開発を推進する。以上の総合動作試験、並びに性能向上を進め、系統誤差の評価を進めながら、EDM測定に着手する。

研究成果

• [国際共同研究] フローニンゲン大学(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: フローニンゲン大学
• [国際共同研究] チューリッヒ工科大学(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: チューリッヒ工科大学
• [国際共同研究] Physical Research Laboratory(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: Physical Research Laboratory
• [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: Appl. Phys. B 巻: 123 ページ: 120 1-11
  • DOI: 10.1007/s00340-017-6673-3
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magic and tune-out wavelengths for atomic francium (2016)
  • 著者名/発表者名: U.Dammalapati, K.Harada, and Y.Sakemi
  • 雑誌名: Phys. Rev. A 巻: 93 ページ: 043407 1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.93.043407
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced spin-dependent parity-nonconservation effect in the 7s2S1/2→6d2D5/2 transition in Fr: A possibility for unambiguous detection of the nuclear anapole moment (2016)
  • 著者名/発表者名: B.K. Sahoo, T. Aoki, B.P. Das, Y. Sakemi
  • 雑誌名: Phys.Rev. A 巻: 93 ページ: 032520 1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.93.032520
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Laser frequency locking with 46 GHz offset using an electro-optic modulator for magneto-optical trapping of francium atoms (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Harada, S.Ando, Takahiro Aoki, Takatoshi Aoki, H.Arikawa, S.Ezure, A.Hatakeyama, K.Hatanaka, T.Hayamizu, K.Imai, T.Inoue, T.Ishikawa, M.Itoh, S.Ito, K.Kato, H.Kawamura, T.Murakami, H.S.Nataraj, K.Sakamoto, T.Sato, Y.Shimizu, A.Uchiyama, T.Wakasa, H.P.Yoshida, and Y.Sakemi
  • 雑誌名: Appl. Opt 巻: 55 ページ: 1164-1169
  • DOI: https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-55-5-1164
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Aging and environmental tolerance of an optical transmitter for the ATLAS Phase-I upgrade at the LHC (2016)
  • 著者名/発表者名: F.X. Chang , H.T. Chang , T.S. Duh , T. Hayamizu , S. Hou , X. Hu , C. Liu, T. Liu , Y. Sakemi , T. Schwarz ,P.K. Teng, P.R. Tsai , C.H. Wang , S.Y. Wang , Y. Yang , J. Ye
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Meth. A 巻: 831 ページ: 349-354
  • DOI: 10.1016/j.nima.2016.04.033
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Light shifts induced by nuclear spin-dependent parity-nonconserving transitions of ultracold Fr for detection of 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
  • DOI: http://asianjournalofphysics.in/content2/vol-25-2016/vol-25-no-10
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Towards a search for the electron EDM using laser-cooled francium (2017)
  • 著者名/発表者名: 川村広和、酒見泰寛、他
  • 学会等名: 9th FPUA
  • 発表場所: 京都大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2017-01-10 – 2017-01-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レーザー冷却重元素を用いた素粒子物理の展開 (2017)
  • 著者名/発表者名: 酒見泰寛
  • 学会等名: 日本原子力機構東海・重イオン科学シンポジウム
  • 発表場所: 日本原子力研究開発機構（茨城県東海村）
  • 年月日: 2017-01-05 – 2017-01-06
  • 招待講演
• [学会発表] Search for EDM with laser cooled Fr (2016)
  • 著者名/発表者名: 酒見泰寛
  • 学会等名: 理化学研究所 光量子工学研究領域セミナー
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • 年月日: 2016-12-09 – 2016-12-09
  • 招待講演
• [学会発表] Development of the measurement system toward the electron EDM search with laser cooled Fr atoms (2016)
  • 著者名/発表者名: 井上壮志、酒見泰寛、他
  • 学会等名: PSI2016
  • 発表場所: Villigen（スイス)
  • 年月日: 2016-10-18 – 2016-10-18
  • 国際学会
• [学会発表] Search for the electron EDM with laser-cooled Francium atoms 26th International Nuclear Physics Conference (2016)
  • 著者名/発表者名: 井上壮志、酒見泰寛、他
  • 学会等名: INPC2016
  • 発表場所: アデレード（オーストラリア）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
  • 国際学会
• [備考] 東京大学原子核科学研究センター（CNS）
  • URL: http://www.cns.s.u-tokyo.ac.jp
• [備考] 東北大学CYRIC測定器研究部
  • URL: http://cycgw1.cyric.tohoku.ac.jp
• [学会・シンポジウム開催] )th Fundamental Physics Using Atoms (FPUA) (2017)
  • 発表場所: 京都大学（京都府京都市 ）
  • 年月日: 2017-01-09 – 2017-01-10