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2 時間反転対称性の破れの探索に向けた ルビジウム磁力計の研究 目次 本研究の目的 冷却フランシウム原子を用いた電子の永久電気双極子能率 (EDM) 探索 EDM 探索に必要とされる磁場精度 ルビジウム (Rb) 磁力計の原理 周波数変調光を用いた非線形磁気光学回転効果 (FM-NMOR) 磁場感度の高い Rb 磁力計の開発 FM-NMOR スペクトルの傾きに対するレーザー周波数, 変調幅, 強度依存性の測定 Rb 磁力計による磁場の安定性の評価 Allan 分散による磁場の安定性の評価 まとめ

3 時間反転対称性の破れの探索に向けた ルビジウム磁力計の研究 目次 3 本研究の目的 冷却フランシウム原子を用いた電子の永久電気双極子能率 (EDM) 探索 EDM 探索に必要とされる磁場精度 ルビジウム (Rb) 磁力計の原理 周波数変調光を用いた非線形磁気光学回転効果 (FM-NMOR) 磁場感度の高い Rb 磁力計の開発 FM-NMOR スペクトルの傾きに対するレーザー周波数, 変調幅, 強度依存性の測定 Rb 磁力計による磁場の安定性の評価 Allan 分散による磁場の安定性の評価 まとめ

4 本研究の目的 4 電子の永久電気双極子能率 素粒子の永久電気双極子能率 (EDM) の存在は時間反転対称性の破れを表す CPT 不変性 C : 荷電共役,P : 空間反転,T : 時間反転 CP 対称性の破れ 標準模型 (SM): クォークを介した高次の効果で電子 EDM ( d e ) が発現 SM d e ecm 超対称性理論 : 統計性の異なる粒子の伝搬により発現 電子 EDM と超対称性粒子の質量のスケールは M. Pospelov and A. Ritz,. Ann. Phys. 318, 119 (005). d e <10-9 e cm の探索で M>10 3 TeV の超対称性粒子の探索に相当 標準模型を超えた物理モデルの検証を行う

5 本研究の目的 5 冷却フランシウム原子による電子 EDM 探索 電子 EDM d e が存在すると原子 EDM d A が存在する da Rde R : 増幅率 フランシウム (Fr) 原子はレーザー冷却 トラップができるため EDM の精密測定に有利 Fr 原子は R ~900 と大きな EDM 増幅率を持つ D Mukherjee, et al. J. Phys. Chem. A 113(45) 1549 (009). 磁場 B ーー電場 E h + 電場と磁場が平行 B d A E 時間反転 h + 電場と磁場が反平行 B h( ) ( B B) Rd e da E E d A E

6 研究の目的 冷却Fr-EDM探索測定に必要な磁場精度 高電場印加 周波数の精密測定 磁場の安定化と精密測定が重要 B=0 E=0 hν- B 0 E 0 B 0 E=0 ゼーマン効果 B hν+ h B d Fr E h B d Fr E d Fr B- E+ B+ h( ) ( B B ) E E ν+=ν-=ν ±Δν, B+=B-=B ±ΔB, E+=E-=E ±ΔE という誤差を持つと h B d Fr E E E E d Fr 一組の測定で ΔdFr< e cmを達成するためには E >100 kv/cm のとき ν <100 μhz, B <10 ft 016 Sep. 3 E- 時間反転対称性の破れの探索のためのルビジウム磁力計の研究 6

7 研究の目的 7 高精度磁力計の開発と磁場の安定性の評価 FM-NMOR 型 Rb 磁力計の開発と磁場の安定性の評価周波数変調 (FM) 光による非線形磁気光学回転効果 (NMOR) を用いたルビジウム (Rb) 磁力計 生体磁気都市雑音地磁気 [T] 目標 ルビジウムセル レーザー光 磁気シールド 光検出器 コイル レーザー光 1 本で測定 測定領域に設置するものは Rb セルのみ 1 軸方向の磁場成分のみ測定 測定レンジが限定される

8 時間反転対称性の破れの探索に向けた ルビジウム磁力計の研究 目次 8 本研究の目的 冷却フランシウム原子を用いた電子の永久電気双極子能率 (EDM) 探索 EDM 探索に必要とされる磁場精度 ルビジウム (Rb) 磁力計の原理 周波数変調光を用いた非線形磁気光学回転効果 (FM-NMOR) 磁場感度の高い Rb 磁力計の開発 FM-NMOR スペクトルの傾きに対するレーザー周波数, 変調幅, 強度依存性の測定 Rb 磁力計による磁場の安定性の評価 Allan 分散による磁場の安定性の評価 まとめ

9 磁力計の原理 9 非線形磁気光学回転効果 (NMOR) とは 原子の共鳴周波数の光が磁場中の原子と相互作用することで光の偏光面が回転する現象 1. 直線偏光によって原子がアラインメント状態がつくられる アラインメント状態 ( 光を吸わない状態 ). 原子のアラインメントは磁場中で歳差する 3. 光の偏光面が原子と相互作用することで回転する ( アラインメント状態に垂直な向きの光のみが吸収される ) 1 g F BBz ( B ) z Amp 1 g F BBz g F : g 因子, B : ボーア磁子, : 緩和レート M 1 M 1 原子のアラインメント 直線偏光入射 θ 直線偏光照射 光の吸収により偏光面が回転 光の偏光面の回転角度から磁場を測定できる

10 回転角度磁場 [a.u.] 磁力計の原理 10 周波数変調光を用いた NMOR 周波数変調 (FM) 光を用いることで有限磁場でも NMOR が生じる (FM-NMOR) n =-1 5kHz で FM した場合の 85 Rb の NMOR スペクトル n =0 n =+1 磁場 [nt] 偏光面の回転角度 ( B z ) 回転の生じる磁場 h Bn n g Amp F B g F B ( Bz Bn ) ( ) 1 g F B Bz Bn g F : g 因子, B : ボーア磁子, : 緩和レート Mod. Mod : 変調周波数 ラーモア周波数 = 変調周波数 n となる磁場の周りでも NMOR が生じる 有限磁場において高い感度を持つ磁力計を室温で実現

11 時間反転対称性の破れの探索に向けた ルビジウム磁力計の研究 目次 11 本研究の目的 冷却フランシウム原子を用いた電子の永久電気双極子能率 (EDM) 探索 EDM 探索に必要とされる磁場精度 ルビジウム (Rb) 磁力計の原理 周波数変調光を用いた非線形磁気光学回転効果 (FM-NMOR) 磁場感度の高い Rb 磁力計の開発 FM-NMOR スペクトルの傾きに対するレーザー周波数, 変調幅, 強度依存性の測定 Rb 磁力計による磁場の安定性の評価 Allan 分散による磁場の安定性の評価 まとめ

12 Rb 磁力計の開発 1 Rb 磁力計セットアップ PBS 飽和吸収分光 5kHz で FM したレーザー光 ~100 W 磁気シールド PBS Rb 蒸気セルパラフィンコート (Φ 3 cm, 長さ 3 cm) 光検出器 DFB レーザー (Rb D1 線 ) DFB laser レーザー光周波数 中心周波数 ~377 THz λ/ Sig. B z 信号発生器 3 軸コイル Sync. 周波数を変調しその周波数 ( Mod ) で位相敏感検波する FM 変調幅 : Width 0.5~ GHz ロックインアンプ Ref. 85 Rb 原子のエネルギー準位 5 P F=3 1/ F= D1 線 ~ THz ~ nm 時間 1/ Mod = 0. msec, FM 変調周波数 : Mod = 5 khz 5 S 1/ F=3 F=

13 差分信号 [V] Rb 磁力計の開発 13 FM-NMOR による磁場測定と感度 偏光面の回転角度 Bz B n VS VP ( VS VP ) つの検出器の差分信号から磁場を測定 の周りでは g F B V ( Bz ) VAmp( Bz Bn ) g F : g 因子, B : ボーア磁子, : 緩和レート 5kHz で FM した場合の 85 Rb の差分信号出力 n =+1 ロックインアンプ sensitivity mv ( 約 500 倍に増幅 ) スペクトルの傾き gf B VAmp h が大きいほど感度が良い 磁場 [nt] 回転振幅 (V Amp ) が大きく 緩和レート (Γ) が小さい FM-NMOR スペクトルの傾きに対するレーザー光周波数, 変調幅, 強度依存性

14 傾き [mv/nt] Rb 磁力計の感度 - レーザー光強度依存性 Rb 磁力計の開発 Rb n=1 のスペクトルの傾きのレーザー光強度依存性 他の準位へのポンピング 緩和 vs 信号大 レーザー光強度が強いと アラインメント大 ( 原子増 θ 大 ) 信号 (V s +V p ) 大 他の準位にポンピングされる ( 原子減 θ 小 ) 緩和レート () 大 アラインメント大 傾き大 傾き小 室温 ~3 ( 原子数密度 ~10 10 cm -3 ) レーザービーム径 ~ mm レーザー光パワー [W] ロックインアンプの sensitivity 0 mv を用いて正味の信号に換算 差分出力 (V s -V p ) V V S S V V P P gf B V ( VS VP ) Amp ( B z B 室温ではレーザー光パワー 150 W が最適 n )

15 時間反転対称性の破れの探索に向けた ルビジウム磁力計の研究 目次 15 本研究の目的 冷却フランシウム原子を用いた電子の永久電気双極子能率 (EDM) 探索 EDM 探索に必要とされる磁場精度 ルビジウム (Rb) 磁力計の原理 周波数変調光を用いた非線形磁気光学回転効果 (FM-NMOR) 磁場感度の高い Rb 磁力計の開発 FM-NMOR スペクトルの傾きに対するレーザー周波数, 変調幅, 強度依存性の測定 Rb 磁力計による磁場の安定性の評価 Allan 分散による磁場の安定性の評価 まとめ

16 実験の目的 方法 16 磁場の安定性の評価 実験内容 Rb 磁力計を用いて磁場を 4 時間測定 レーザー光軸方向に一定の磁場を印加した状態で磁力計の出力を測定した 磁気シールド レーザー光進行方向 3-axis coil フラックスゲート磁力計 1 フラックスゲート磁力計 サンプリング周波数 00 Hz 1 ランあたりのサンプリング数 14 測定時の磁場感度 : 1.33±0.0 V/nT ロックインアンプの設定 : sensitivity mv time constant 1 msec y PBS x PD z PD1 ロックインアンプ 測定したもの ルビジウム磁力計の出力 ( 差分信号をロックイン検波して得られた信号 ) VS VP ( V V ) S P z 方向コイル印加電圧 外部磁場 ( フラックスゲート 台の出力 ) -> 磁場変動の見積もり セルを固定する樹脂台の温度

17 アラン分散 [pt] 磁場の安定性評価ー結果 17 磁場の安定性の評価 結果 磁場の安定性を Allan 分散 s Allan を用いて評価する s Allan 1 1 N ( ) B k ( ) B k ( N 1) k 1 1 ( ) B k ( ) : 磁場測定結果を時間 平均した値のk 番目 log(s Allan ) Allan 分散 FM-NMOR 差分信号から求めた磁場の Allan 分散 白色雑音 1 フリッカー雑音 log() 0 : 平均時間 線形ドリフト 差分信号 τ 平均時間 [sec]

18 アラン分散 [pt] アラン分散 [pt] 磁場の安定性の評価 磁場変動による影響 差分信号の Allan 分散とコイル印加電圧の Allan 分散の比較 磁場の安定性評価ー考察 差分信号の Allan 分散と外部磁場の Allan 分散の比較 18 差分信号 1 τ 差分信号 フラックスゲート コイル印加電圧 1 τ フラックスゲート 1 シールドによる磁気遮蔽率 ~10-3 と仮定 τ τ 平均時間 [sec] 平均時間 [sec] 外部磁場変動特にフラックスゲート 側の磁場変動が大きい 補正コイルが必要 磁場変動のみで説明できる? 磁場変動以外による影響についても評価

19 アラン分散 [pt] 磁場の安定性の評価 - 磁場変動以外による影響 磁場の安定性評価ー考察 19 差分信号の Allan 分散と温度の Allan 分散の比較 差分信号 差分出力 (V s -V p ) V S V P gf B V 温度変化 -> 原子数密度変化 -> 出力 (V s -V p ) 変化 Amp ( B z B n ) 温度 レーザー光周波数や強度変化 -> 傾き (g F B V Amp /ħ) 変化 -> 出力 (V s -V p ) 変化 平均時間 [sec] レーザー光強度変化 -> 透過光パワー (V s +V p ) 変化 -> 出力 (V s -V p ) 変化 レーザー光周波数 強度の安定化 FM との共存が課題

20 時間反転対称性の破れの探索に向けた ルビジウム磁力計の研究 目次 0 本研究の目的 冷却フランシウム原子を用いた電子の永久電気双極子能率 (EDM) 探索 EDM 探索に必要とされる磁場精度 ルビジウム (Rb) 磁力計の原理 周波数変調光を用いた非線形磁気光学回転効果 (FM-NMOR) 磁場感度の高い Rb 磁力計の開発 FM-NMOR スペクトルの傾きに対するレーザー周波数, 変調幅, 強度依存性の測定 Rb 磁力計による磁場の安定性の評価 Allan 分散による磁場の安定性の評価 まとめ

21 まとめ 1 まとめと今後の展望 目的 冷却 Fr 原子を用いた電子 EDM 探索に向けた高精度磁力計の開発と評価 開発 FM-NMOR 型 Rb 磁力計の開発磁力計の感度が高くなるレーザー光周波数 変調幅 強度依存性を測定 実験 FM-NMOR 型 Rb 磁力計を用いた磁場測定 結果と考察 今後の展望 外部磁場により磁場の不安定さが生み出されていることがわかった磁力計自身の不安定さも示唆された 補正コイルの導入, レーザー光周波数 強度の安定化などの改良共存磁力計への応用

22 謝辞 多くの方のご指導とご支援に感謝いたします 酒見泰寛教授 ( 現 東大 CNS) 井上壮志助教 原田健一講師 川村広和助 教 Umakanth Dammalapati 講師 伊藤正俊准教授 早水友洋博士 ( 現 UBC) および東北大 CYRICの皆さま東京工業大学の旭耕一郎教授 ( 現 理化学研究所 ) 岡山大学の吉見彰洋准教授東京大学の青木貴稔助教修士論文の副査および論文審査員の皆さま測定器開発修士論文賞の選考委員の皆さま

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