2022 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)
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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| 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、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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| 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。
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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| Strategy for Future Research Activity |
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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[Journal Article] 400-m-Long Polarization-Maintaining Fibers for Magneto-Optical Trapping of Francium Atoms2022
Author(s)
Keisuke Nakamura, Shintaro Nagase, Teruhito Nakashita, Tomohiro Hayamizu, Takatoshi Aoki, Hiroki Nagahama, Naoya Ozawa, Motoki Sato, Kazeki Yamane, Mirai Fukase, Daisuke Uehara, Aiko Takamine, and Yasuhiro Sakemi
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Journal Title
Proceedings of the 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim
Volume: -
Pages: 1-2
Peer Reviewed
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