2015 Fiscal Year Annual Research Report
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
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26220705
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
青木 貴稔 東京大学, 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)
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)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 実験核物理 / 素粒子実験 / 電気双極子能率 / レーザー冷却 / 光格子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フランシウム（Fr）の電気双極子能率（EDM）の次世代測定技術の確立を目指し、①Fr生成、②EDM測定、③高感度磁力計の技術の高度化・深化を進めた。①に関して、大強度Fr源の各構成要素の中で、最も効率が低いFrイオンの電子再結合による中性Fr原子生成（中性化装置）の開発・高度化を進めた。今回、中性化のために、標的加熱による熱脱離とともに、高強度のレーザー光を標的表面に照射することで、光誘起脱離現象を用いて低温度でも標的表面からFr原子を脱離できることを確認し、その波長や光強度依存性を測定した。このことで、熱脱離と光誘起脱離をバランスよく組み合わせ、高温加熱によるバックグランド残留ガスの増加を抑えながら、中性Fr原子の磁気光学トラップ（MOT）への導入効率も向上させる手法を見出した。
②のEDM測定に関して、測定感度向上のために、外場との相互作用時間を延ばすことが重要となり、そのためには、MOTから光双極子トラップ（ODT）、そして光格子（OL）へ、段階的に蓄積原子を冷却する必要がある。そこで、Frと化学的性質が似ている安定原子・ルビジウム（Rb）を用いて、MOT/ODT/OLの各冷却構成要素の開発を進めた。光検出器の感度を向上させ、MOT中に蓄積している原子集団の数、およびその冷却温度を測定できるようにして、温度をモニターしながら、MOTの各種パラメータ、そして偏光勾配冷却等の予備冷却を調整できるようにした。その結果、MOTの蓄積原子数の向上が実現でき、さらに、ODTの光源となるファイバーレーザーを増強し、ODTの蓄積原子数を増加できるようにした。
さらに③に関して、非線形磁気光学共鳴法を用いた高感度Rb磁力計の開発に成功し、磁力計としての性能評価、および、実験環境の磁場変動に関して、長期測定を進め、今後の光格子を用いた共存磁力計開発への技術蓄積を進めた。
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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
大強度フランシウム源実現の鍵は、イオンとして引き出したFrイオンの電子再結合による中性原子生成効率の向上となる。昨年度、中性化させるための標的材料の性能評価を行い、仕事関数が小さいイットリウムで構成されたターゲットの場合、熱脱離による中性化効率が最大であることを確認した。同時に、加熱時には、標的中に含まれる不純物も放出されるため、後段に配置する磁気光学トラップ（MOT）への導入効率を悪化させることもわかった。そこで、できるだけ低温で動作させるために、光誘起脱離現象を用いてレーザー光を標的表面に照射させることで中性Fr原子を放出させる手法を原理実証し、光の波長依存性、強度依存性を測定しパラメータの最適化を行った。これらの結果から、大強度Fr源の実現には、中性化標的表面の浅いところにFrイオンを停止させ、できる限り低温度で熱脱離と光誘起脱離を併用した電子再結合機構が適していることが実証された。この実現には、Frイオンのビームエミッタンスを小さくしながら速度を落としていく機構が必要であり、RFQを用いた減速機構を検討中である。
もう一つの鍵となる技術は磁力計である。FrのEDM測定のためには、電場との結合によるエネルギーの変化を高精度で測定することになるが、磁気モーメントと結合する磁場の変動による偽EDM信号をいかに小さくするかが、EDM測定精度向上の重要な点である。本計画では、２つの手法を併用して進めているが、一つは、磁気シールド効果を高くする磁場遮蔽装置を複数段で開発している。もう一つは、この磁場遮蔽装置でも消すことが難しいわずかな磁場変動をモニターする高感度磁力計の開発を進めている。昨年度は非線形磁気光学現象を用いた磁力計の開発を行い、達成される感度、そして現状での磁場変動の成分の精査を行った。この技術をベースに、光格子を用いた磁力計の開発に着手する基盤ができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までで、光格子を用いた次世代EDM探索技術の原理実証と、課題を明らかにしてきた。そこで、今後は、大強度Fr源の「安定供給」実現に向けて、電極構造をさらにシンプルにした表面電離イオン源の開発を進め、また、熱脱離と光誘起脱離の複合型中性Fr原子生成装置の開発を行う。このシステムには、２次ビームであるFrイオンビームの低エミッタンスで減速するためのRFQ導入を検討し、また、中性Fr原子のMOTへの導入効率をさらに向上させるために、レーザー冷却を駆使した横方向・軸方向の中性原子減速コリメーター装置の開発を検討していく。
さらに、Fr EDM測定のためには、最終的に光格子にFr原子と、共存磁力計としてRb原子を同時トラップする必要がある。そこで、MOT、光双極子トラップ（ODT）、光格子（OL）の３段階で効率よく冷却・トラップしていくためのパラメータの最適化を進めていく。今年度は、光格子実現のための高強度レーザーを整備し、Rbを用いた光格子を実現する。そして、ルビジウムの２種類のアイソトープを用いて、共存トラップの確認を行う。また、原子干渉計の手法を用いて、RbのEDMを、光格子中にトラップされた冷却原子を用いて行う実験を世界に先駆けて実現し、Fr-EDM測定の原理実証を行う。
環境磁場の変動を極力抑えていくことも重要であり、現在、地下鉄開通に伴う磁場変動の調査を進めているが、この調査結果をふまえて、市と交通局とも相談しながら、アクティブ磁場シールドの設置を進めていく。並行して、さらに磁気遮蔽率を向上させるために、円筒形磁気シールドの設計・開発を行い、中に配置する光トラップ装置のサイズが確定した段階で、実機の製作を速やかに行えるよう、準備を進めていく。
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Research Products
(20 results)
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[Journal Article] Magneto-optical trapping of radioactive atoms for test of the fundamental symmetries2015
Author(s)
H. Kawamura (Tohoku U., Inst. Materials Res. & CYRIC, Tohoku U.) , S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, K. Harada, T. Hayamizu (CYRIC, Tohoku U.) , T. Inoue (Tohoku U., Inst. Materials Res. & CYRIC, Tohoku U.) , T. Ishikawa, M. Itoh, K. Kato L. Köhler, J. Mathis, K. Sakamoto, A. Uchiyama, Y. Sakemi (CYRIC, Tohoku U.)
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Journal Title
Hyperfine Interact.
Volume: 236
Pages: 53-58
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Development of Laser Light Sources for Trapping Radioactive Francium Atoms Toward Tests of Fundamental Symmetries2015
Author(s)
K. Harada, S.Ezure, T. Hayamizu, K.Kato (CYRIC, Tohoku U.) , H.Kawamura, T. Inoue (Tohoku U., IIAIR & CYRIC, Tohoku U.) , H.Arikawa, T. Ishikawa, T. Aoki, A. Uchiyama M.toh, S. Ando (CYRIC, Tohoku U.) , T.Aoki (Tokyo, U. Earth Sci. Astron.) , Y. Sakemi (CYRIC, Tohoku U.) et al.
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Journal Title
JPS Conf.Proc.
Volume: 6
Pages: 030128 1-5
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Development of Magnetometer Based on the Nonlinear Magneto-Optical Rotation Effect Toward the Measurement of the Electron Electric Dipole Moment2015
Author(s)
Takeshi 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, A. Yoshimi, H.P. Yoshida, Y. Sakemi
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Journal Title
JPS Conf.Proc.
Volume: 6
Pages: 030070 1-4
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Towards the Measurement of the Electric-Dipole Moment of Radioactive Francium using Laser-Cooling and Trapping Techniques2015
Author(s)
Hirokazu Kawamura, S. Ando, T. Aoki, H. Arikawa, S. Ezure, K. Harada, T. Hayamizu, T. Inoue, T. Ishikawa, M. Itoh K. 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
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Journal Title
JPS Conf.Proc.
Volume: 6
Pages: 030068 1-4
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Experimental search for the electron electric dipole moment with laser cooled francium atoms2015
Author(s)
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
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Journal Title
Hyperfine Interact.
Volume: 231
Pages: 157-162
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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