冷却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

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13J10612
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 早水 友洋 東北大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Keywords: 電気双極子能率 / 基本対称性の破れ / フランシウム / レーザー冷却 / 磁気光学トラップ / 光双極子トラップ / ラムゼー共鳴

Research Abstract

本研究では、物質優勢宇宙の謎の解明に寄与する基本対称性(CP対称性)の破れを高感度に検出することを目指して、レーザー冷却したフランシウム(Fr、原子番号87)原子を用いた、電子の永久電気双極子能率(Electric Dipole Moment, EDM)探索の次世代実験技術を確立することを目的としている。これまでEDM探索は、原子・分子ビームや蒸気セル中の原子を対象に行われて来たが、本研究では、高真空中に局在化させた冷却原子のスピン歳差周波数を高精度に測定することが大きな特徴である。大きな電子EDM増幅度を持つ放射性元素・Frを原子核融合反応によって生成し、レーザー冷却・トラップ技術によって原子を光学トラップに閉じ込めることで、ラムゼー共鳴法によりEDM信号を精度よく検出することを可能とする。
今年度は主に、EDM測定における統計誤差・系統誤差低減の鍵となる、光双極子トラップの開発を行った。開発にあたっては、光双極子トラップの実験技術を早期に確立するため、安定原子のルビジウム(Rb)を用い、必要な実験装置の整備を行った。まず、光双極子トラップの撮像および原子の温度を評価する手段として吸収イメージング法を導入し、原子集団の個数と温度の評価方法を確立した。続いて、磁気光学トラップで捕獲したトラップ原子集団に対して偏光勾配冷却を試み、磁気光学トラップより低温に冷却された原子集団を得ることに成功した。そして、磁気光学トラップで捕獲した原子集団を光双極子トラップに移行する実験に着手し、磁気光学トラップのトラップ領域に光双極子トラップの1083nm光を集束させて入射する光学系を整備し、われわれの研究グループにおける実験としては初めて光双極子トラップの観測に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の特徴である局在化させた冷却原子を用いたEDM測定に必要な光双極子トラップの開発に看手し、Rb原子を用いた実験でこれを観測することに成功したことにより、外場の非一様性に由来する系統誤差の抑制および測定時間の延伸による統計誤差の低減に道筋をっけることができた。また、Fr原子の光双極子トラップでの捕獲に向けて、実験手法の確立に進展があった。

Strategy for Future Research Activity

EDM測定誤差の抑制に向け、以下のことに取り組む。まず、光双極子トラップのトラジプ個数の増強と、トラップ時間の延伸を目指し、EDM測定における統計誤差の抑制を試みる。続いて、光双極子トラップでトラップしたRb原子に対しラムゼー共鳴法を用いることでスピン歳差周波数の測定技術を確立する。そして、これらの技術を用いて、EDM誤差の特定と抑制を行い、EDM測定における微小な信号が検出可能であることを示す。まずはRb原子を用いて開発を行い、Fr原子のMOTが観測されたのちに、Fr原子の光双極子トラップを行い、最終的に電極・磁力計等を組み合わせ、高精度EDM探索の実験技術確立を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Laser cooled francium factory for the electron electric dipole moment search (2014)
  • Author(s): T. Hayamizu, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Inoue, TIshikawa, M. Itoh, T. Kato, H. Kawamura, T. Sato, S. Ando, T. Aoki, A. Uchlyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, TMurakami, H. S. Natarj, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: Laser cooled francium factory for the electron electric dipole moment search Volume: 1 Pages: 031065
  • DOI: 10.7566/JPSCP.1.013065
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of the Measurement System fbr the Search of an Electric Dipole Moment of the Electron with Laser-Cooled Francium Atoms (2014)
  • Author(s): T. Inoue, S, Ando, T Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, T. Ishikawa, M. Itoh, K. Kato, T. Kato, H. Kawamura, H. S. Nataraj, T. Sato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Fumkawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Ybshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 66 Pages: 05008
  • DOI: 10.1051/epjconf/20146605008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Search fbr a permanent EDM using laser cooled radioactive atom (2014)
  • Author(s): H, Kawamura, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, 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, Y. Sakemi
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 66 Pages: 05009
  • DOI: 10.1051/epjconf/20146605009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of francium atomic beam fbr the search of the electron electric dipole moment (2014)
  • Author(s): T. Sato, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M Itoh, K. Kato, T. Kato, H Kawamura, H. S. Nataraj, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y. Shimizu, T. wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 66 Pages: 05019
  • DOI: 10.1051/epjconf/20146605019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Radioactive ion beam transportation for the fUndamental symmetry study with laser trapped atoms arch for a permanent EDM using laser cooled radioactive atom (2014)
  • Author(s): H. Arikawa, S. Ando, T. Aoki, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, 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, Y. Sakemi
  • Journal Title: Review of Scientific Instmments Volume: 85 Pages: 02A732
  • DOI: 10.1063/1.4852218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser-cooled radioactlve francium factory at CYRIC (2013)
  • Author(s): Hirokazu Kawamura, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Havamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, T. Kato, T. Sato, T. Aoki, T Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, H. S. Nataraj, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Ybshida, Y. Sakemi
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Volume: 317 Pages: 582-585
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2013.07.038
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Optical dipole trap towards the electron EDM search using francium atom (2014)
  • Author(s): T. Havamizu, K. Harada, T. Aoki, S. Ezure, K. Kato, S. Ando, H. Arikawa, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, H. Kawamura, T. Aoki, A. Uchiyama, T. Furukawa , A. Hatakeyama, K. Hatanaka , K. Imai, T. Kato, T. Murakami, H. S. Nataraj, T. Sato , Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Organizer: 7^<th> International conference on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2014)
  • Place of Presentation: 日本科学未来館(東京都江東区)
  • Year and Date: 20140314-16
• [Presentation] フランシウムを用いた電子EDM探索のための光双極子トラップ (2014)
  • Author(s): 早水友洋, 原田健一, 江連咲紀, 青木貴稔, 川村広和, 井上壮志, 伊藤正俊, 加藤智洋, 佐藤智哉, 有川裕士, 安藤峻, 石川泰佑, 加藤浩, 青木隆宏, 内山愛子, 今井憲一, 清水康弘, Huliyar S, Nataraj, 畠山温, 畑中吉治, 古川武, 村上哲也, 吉田英智, 若狭智嗣, 酒見泰寛
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県秦野市)
  • Year and Date: 2014-03-28
• [Presentation] Laser cooledfrancium factory for the electron electric dipole moment search (2013)
  • Author(s): T. HayamiZu, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Inoue , T. Ishikawa, H. Kawamura , S. Ando, T. Aoki, K. Kato, A. Uchiyama, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Kato, T. Murakami, H. S. Nataraj, TSato, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Organizer: The 12^<th> Asia Pacific Physics Conference pf AAPPS (APPC 12)
  • Place of Presentation: 幕張メッセ(千葉県千葉市)
  • Year and Date: 2013-07-16
• [Presentation] Toward the electron EDM search using laser cooled francium atom (2013)
  • Author(s): T. Hayamizu, K. Harada, H. Kawamura, T. Sato, S. Ezure, H. Arikawa, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh, T. Kato, H. S. Nataraj, T. Aoki, T. Furukawa, A. Hatakeyama, K. Hatanaka, K. Imai, T. Murakami, Y. Shimizu, T. Wakasa, H. P. Yoshida, Y. Sakemi
  • Organizer: The 22nd International Conference on Laser Spectroscopy (ICOLS2013)
  • Place of Presentation: アメリカ、バークレー市
  • Year and Date: 2013-06-10