東北大学サイクロトロン ラジオアイソトープセンター測定器研究部内山愛子
2 電子の永久電気双極子能率 EDM : Permanent Electric Dipole Moment 電子のスピン方向に沿って生じる電気双極子能率 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 d e SM < 10 38 ecm M. Pospelov and A. Ritz, Ann. Phys., 318 119, (2005) 超対称性理論 : 統計性の異なる粒子の伝搬により発現 標準模型より 10 10 倍大きい値をとり得る Weak boson quark electron 標準模型を超えた物理モデルの検証を行う e ~ L e bino e ~ R e
3 電子の永久電気双極子能率 EDM : Permanent Electric Dipole Moment 電子のスピン方向に沿って生じる電気双極子能率 標準模型を超えた物理モデルの検証を行う 核融合反応によるフランシウム (Fr) 生成 レーザーを用いた精密測定
4 Fr原子を用いた電子EDM探索 EDM増幅率 Fr原子EDM 電子EDM 900 D Mukherjee, et al. J. Phys. Chem. A 113(45) 12549 (2009). レーザー冷却 トラップが可能 核融合反応による フランシウム(Fr)生成 不安定原子 (210Fr 寿命 ~3分) 2017/2/19 第23回ICEPPシンポジウム 1 2 3 H Li Be Na Mg K Ca Sc Sr Y Cs Ba 57~7 ランタノ Fr Ra 89~10 アクチノ
5 Fr 原子を用いた電子 EDM 探索 磁場 B ー 電場 E ー ++ 時間反転 ++ hν + = 2m F g F μ B B + 2m F d Fr E + hν + = 2m F g F μ B B + 2m F d Fr E + m F : 磁気量子数, μ B : ボーア磁子, d Fr : Fr 原子 EDM, B +, B : 磁場, E +, E : 磁場 h ν + ν = 2m F g F μ B B + B 2m F d Fr E + + E d Fr = h ν + ν + 2m F g F μ B B + B 2m F E + + E
6 Fr 原子を用いた電子 EDM 探索 長い相互作用時間 ~ 1 sec d Fr = h ν + ν + 2m F g F μ B B + B 2m F E + + E 高精度周波数測定 ~ 0.1 mhz 高電場印加 ~ 100 kv/cm 磁場の精密測定 ~ 10 ft 光格子中での EDM 測定
7 光格子中での原子のエネルギーシフト Δε = 磁場 B 電場 E 1 4 α S AC E ω 2 : AC scalar stark shift ( = U ) 1 4 α V AC m F 2J E ω 2 iε ε e: AC vector stark shift 1 4 α T AC 3m F 2 J(J+1) J(2J 1) 3 ε z 1 2 E ω 2 : AC tensor stark shift M. Auzinsh et al., Optically Polarized Atoms (2009) α S AC, α V AC, α T AC : 分極率, E ω : 光の電場振幅, U: ポテンシャル深さ, J: 電子の全角運動量, m F : 磁気量子数 ε: 偏光ベクトル, e: 量子化軸方向の単位ベクトル hν = Δε 1 F 1, m F 1 Δε 2 F 1, m F 1 1 2 α V AC m F = 2m 2J E ω 2 iε F α eff U iε ε eε e 光が円偏光のときのみ生じる = 2m F g F μ B B 2m F α eff U iε ε e 2m F d Fr E 静磁場光による有効磁場 EDM
8 と を用いた光格子共存磁力計 hν = Δε 1 F 1, m F 1 Δε 2 F 1, m F 1 磁場 B 電場 E = 2m F g F μ B B 2m F α eff U iε ε e 2m F d Fr E hν Fr = 2m Fr g Fr μ B B 2m Fr α eff (Fr) U iε ε e 2m Fr d Fr E 210 Fr hν = 2m g μ B B 2m α eff ( ) U iε ε e 2m d E hν = 2m g μ B B 2m α eff ( ) U iε ε e 2m d E 静磁場と光による有効磁場を同時に測定 α eff = α eff () α S AC () α S AC (Fr) 2017/2/19 第 23 回 ICEPP シンポジウム
9 と を用いた光格子共存磁力計 と の同時トラップ 磁場 B 電場 E と による磁場測定 ルビジウム蒸気セルを用いた磁力計 感度限界 ~10 pt/ Hz 210 Fr ルビジウムセル ( パラフィンコーティング ) 2017/2/19 第 23 回 ICEPP シンポジウム
10 と を用いた光格子共存磁力計 と の同時トラップ 磁場 B 電場 E ルビジウムアンプルから放出される原子 ~ 300 K ドップラー冷却 ~ 300 μk 磁気光学トラップ (MOT) 偏光勾配冷却 ~ 30 μk を用いたトラップの開発 210 Fr MOT ~10 9 個 FORT ~10 6 個 2.5 mm 非共鳴光によるトラップ (FORT) 定在波のときに光格子とよぶ 修士論文坂本幸祐 (2017) 東北大学 2017/2/19 第 23 回 ICEPP シンポジウム
11 磁気光学トラップ (MOT) ドップラー冷却 磁場による復元力 光の周波数を原子の共鳴周波数から負に離調 e σ+ 偏光 σ- 偏光 σ- 偏光 四重極磁場と光の偏光の選択則 m F =-1 m F =0 m F =+1 σ+ 偏光 σ- 偏光 σ- 偏光 π 偏光 σ+ 偏光 g σ+ 偏光 原子を冷却し捕獲する m F =0
12 と の同時 MOT 5P 3/2 F=4 ~0.1 GHz F=3 F=2 F=1 Δ 5P 3/2 F=3 ~0.3 GHz F=2 F=1 F=0 Δ=20 MHz リポンプ光 トラップ光 リポンプ光 トラップ光 5S 1/2 F=3 F=2 ~3.0 GHz 5S 1/2 F=2 F=1 ~6.8 GHz トラップ ν 1 :-6.588 GHz トラップ ν 2 :-5.462 GHz リポンプ ν 3 :-2.427 GHZ リポンプ (F=1 F =2) -8-6 -4-2 0 D2 線 F=1 F =2 からの離調 [GHz] 2017/2/19 第 23 回 ICEPPシンポジウム
13 と の同時 MOT トラップ ν 1 :-6.588 GHz トラップ ν 2 :-5.462 GHz リポンプ ν 3 :-2.427 GHZ リポンプ (F=1 F =2) -8-6 -4-2 0 D2 線 F=1 F =2 からの離調 [GHz] レーザー RF 信号 ν 1 電気光学変調器 ν 2 RF 結合器 RF 増幅器 ν 3 光スペクトラムアナライザー
14 と の同時 MOT 原子からの蛍光 と の同時 MOT に成功! レンズ 光検出器 今後の課題 トラップ個数を増やす個数の安定化偏光勾配冷却
15 まとめ 電子 EDM を Fr 原子を用いて探索することを計画している 光格子中での EDM 探索で問題となるベクトル光シフトを測定する ために と を用いた光格子共存磁力計の開発を進めている 今回 と の同時 MOT に成功した