2020 Fiscal Year Annual Research Report
Study for the violation mechanism of fundamental symmetry using the cold atom/molecular interferometer with optical lattice
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19H05601
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長濱 弘季 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00804072)
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, リサーチフェロー (20780860)
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)
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)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 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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| Outline of Annual Research Achievements |
反物質消失の機構解明や、暗黒物質の素粒子物理学的実体の理解の鍵となる未知の対称性や未知の素粒子を、原子の電気双極子能率（EDM）の探索により調べる。特に、重元素・フランシウムでは、相対論効果や原子核の変形効果により、EDMが格段に増幅されることに着目し、EDMの新しい量子センシング手法の確立を目指す。
本年度は、大強度Frイオンビームに、荷電交換を行い電子再結合により中性Fr原子ビームを生成する中性化装置の開発を進めた。この中性Fr原子を導入する真空チェンバー内に、磁気光学トラップ装置を内蔵させ、同時に、光格子を内部で形成できるような構造として、Fr生成・輸送・中性化・MOT・光格子までのデバイスの開発は完了した。現在、Fr-MOTの収量増強に向けた最適化を進めている。また、AFサイクロトロンで製造したAcを、理研・RI実験棟の実験室において化学処理を行いAc/Frソースを製造した。このAc/FrによるオフラインEDM実験を行えるよう、実験室の放射線管理を満足する整備、安全対策を行なった。さらに、これらの双方のレーザー冷却・トラップで必要なレーザー光源の開発を進めた。特に、高精度波長計を用いた周波数安定化を進め 、各実験室への光伝送のための光ファイバー敷設を完了した。また、EDM偽信号の最も大きな要因となる磁場変動を高精度にモニターするための共 存磁力計を、EDMの寄与が無視できるRb/Csを光格子中にFrとともに、共存してトラップする技術を確立する。本年は、Csのレーザー冷却・トラ ップ用の光源を開発し、MOTの装置の開発を完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。この実現に必要なことは、①大強度210/221Fr源の生成技術、②Frのレーザー冷却技術の開発、③磁場の変動による偽EDM信号を抑制するための共存磁力計の開発の３つが重要である。
これまでの研究により、①に関しては、理研の大強度重イオンサイクロトロンから供給されるビームとの融合反応を用いた表面電離イオン源の開発に成功し、国際的にも最高水準のFr引き出し効率（15%）を達成して高強度Fr源を実現している。また、②に関して、放射線によるレーザー機器の損傷を避けるために、遠隔に設置されたレーザー光源から、400m の光ファイバーを敷設し、光を伝送することで、Frを生成するビームラインでオンラインでFrをレーザー冷却・トラップする設備を実現した。すでに、Rbを用いて同じ光伝送経路でレーザー冷却・トラップを確認しており、現在、FrのMOTの最適化を進めている。また、③に関しては、Frとともに、同じアルカリ原子であるRb/Csの共存トラップで、それらのスピン歳差周期を同時に測定することで、磁場変動をモニターする共存磁力計のデザインを発案し、Rb/Csのレーザー冷却・トラップ光源の開発が完了している。
以上、全ての項目の基盤技術の開発は順調に進んでおり、今後、Frのトラップ個数を増やしていくことで、最終段の光格子干渉計の実現へとつながる見通しが立っているので、おおむね、順調と判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回、国際的にも初めての技術となる重元素・放射性同位元素Frを光格子にトラップし、そのスピン歳差周期を精密量子計測を行う量子センシング手法を確立する。現在、光格子の上流に配置する予備冷却・大強度Fr源となる磁気光学トラップ（MOT）の装置開発が完了した。そこで、今後は、① MOTにおけるFrトラップ個数を、目標である10の６乗個達成に向けて、表面電離イオン源、Fr輸送系、電子再結合装置、高輝度中性Frビーム用キャピラリー・コーティング等のMOTより上流の各段階の輸送効率の向上、最適化を進める。② 並行して、Rbを用いて光格子を開発し、MOT/光格子の導入効率の向上、光格子でトラップされたRb原子に対して、高強度電場を印加する電極設計、ラムゼー共鳴を用いたスピン歳差周期の測定技術の確立を進める。③ また、225Acをgeneratorとした221Frの高強度線源の製造を継続的に行い、オフラインでの221FrのMOTと、レーザー分光実験を行って、221Frの原子構造、相対論効果の抽出等、EDMの増幅度の要因の一つである相対論効果の検証を進める。④ レーザー光源の高度化を進め、特に、共存磁力計においてFR/Cs/Rbの３種の原子の共存トラップを行うためのレーザー光源の周波数安定化、そして、光格子用の高強度レーザーのFR生成実験室内における光学系の開発を進める。⑤ 210Frと221FrのEDMの測定値が得られた後、電子EDMと原子核EDM、そしてCPを破る相互作用の各寄与への分解・抽出を行うため、相対論的結合クラスター理論を用いた高精度EDM理論計算を進める。特に、221Frに関する計算と、221Frの原子核の変形効果を調べるために、DFTならびに殻模型による微視的な計算を進める。
以上の５項目を連携させながら、推進していく。
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[Journal Article] Fundamental physics with cold radioactive atoms2021
Author(s)
Sakemi Y.、Aoki T.、Calabrese R.、Haba H.、Harada K.、Hayamizu T.、Ichikawa Y.、Jungmann K.、Kastberg A.、Kotaka Y.、Matsuda Y.、Matsuo Y.、Nagahama H.、Nakamura K.、Otsuka M.、Ozawa N.、Tanaka K. S.、Uchiyama A.、Ueno H.、Willmann L.
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Journal Title
AIP Conference Proceedings
Volume: 2319
Pages: 080020
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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