電子EDM探索のための中性アルカリ原子生成装置の開発

電子EDM探索のための
中性アルカリ原子生成装置の開発
東北大CYRIC 川村広和
目次
1. 導入
• EDM 探索
• 大強度レーザー冷却 Fr
2. 装置開発
• Fr イオン源
• レーザー冷却装置
• 中性原子生成装置
3. まとめ
東北大CYRIC
伊藤正俊, 吉田英智, 原田健一, 及川明人,
早水友洋, 齋藤真樹, 佐藤智哉, 加藤智洋,
江連咲紀, Huliyar S. Nataraj, Liu Shan, 酒
見泰寛
東北大理
古川武, 清水康弘
京大理
今井憲一, 村上哲也
九大院理
若狭智嗣
農工大
畠山温
日本物理学会2011年秋季大会＠弘前大学
東大総合文化
青木貴稔
阪大RCNP
畑中吉治
東工大
内田誠
電気双極子能率 (EDM)
電子 EDM  時間反転対称性の破れ = CP 非保存
標準模型を超える新しい物理の探索
測定感度
 1 1
d 
2K E
K
: EDM増幅度
E

: コヒーレンス時間
: 印加電場強度
T
1
NT
N : 原子数
: 総測定時間
電子 EDM … 原子の中で増幅
フランシウム (Fr) : 原子で最大の増幅度
最大のアルカリ原子レーザートラップ
 コヒーレンス時間の増大
目標
d e  1028 e  cm
不安定核～放射性元素
209Fr=50
比較的長寿命
s, 210Fr=3.2 min, 211Fr=3.1 min,…
大強度レーザー冷却フランシウム生成工場
CYRIC: 第５ターゲット室 (ビームスウィンガー) ＋中性子飛行管室 (TOF室)
ビームスウィンガー
18Oビーム上方45度から金標的に照射
18O+197Au→210Fr+5n
209-210Fr
表面イオン化器
Fr イオンの生成
product. cross section
[mb]
１00
１0
偏向電極
１
Ｑ電極
90 １00
80
Beam energy [MeV]
診断系
Frイオンを中性原子へ
中性化器
レーザー冷却で減速
ゼーマン減速器
レーザーで局所的にトラップ
磁気光学トラップ
Fr イオン源
Fr+
融合反応で Fr 生成: 18O + 197Au → 210Fr + 5n
EWF(Au)>EIP(Fr)  表面電離によりイオン引き出し
アインツェル
レンズ
引出
電極
Alpha spectrum
210Fr
production [cps]
x104
9
210Fr
(6.5MeV)
オーブン
241Am
209Fr
(5.5MeV)
(6.6MeV)
Energy [MeV]
金標的
6
6
3
3
0
800
0
July.2010
18O
x105
9
Oct.2010
１次ビーム
900
1000
Gold target temperature [oC]
Fr生成収量[任意単位]
１次ビーム強度依存性
1000
金標的温度上昇～融解
１次ビーム強度に比例
最大安定供給
1.4x106 Fr+/secを達成
500
0
0
100
200
１次ビーム強度[enA]
生成収量増大に向けた改良
次のステップ
改良した引出収束系
• Fr+ 収量：107 /s
• Fr+ビームコース(11m)輸送効率：90％以上
⇒エミッタンスを小さくする必要
ビーム強度
電圧依存性マップ
引出収束系の改良
1. シミュレーションで現状再現
•
引き出し直後の引き出し効率: ~50%
2. シミュレーションで最適化
•
•
無限焦点可能な５要素レンズの導入
引き出し電極形状、内径、位置や
ターゲットロッド傾斜などの最適化
Preliminary
シミュレーション結果
シミュレーション結果
•引き出し直後の引き出し効率: ~94%
•ビームエミッタンス: ~7πmm*mrad
⇒90%以上でビーム輸送可能
引き出し電極
現在 Rb テスト進行中
Preliminary
ECRイオン源の増強
引き出し部加速減速器の導入により
１次ビームの高輝度化を図る
Rbテスト結果
ターゲットロッド
中性化器入り口で Fr+ 107 /s 達成の見通し
F=15/2
レーザー冷却用光源
Fr/Rb 冷却・トラップに必要な光源～整備完了
周波数安定化も開発中
F=13/2
72P3/2 F=11/2
F= 9/2
F=13/2
72P1/2 F=11/2
Trapping
718 nm
F=13/2
617 MHz
500 MHz
397 MHz
52P
780 nm
Repumping
Repumping
780 nm
817 nm
F=2
52S1/2
F=11/2
6.83 GHz
F=1
210Fr
Ti:S Laser (718nm)
Frトラップ光
267 MHz
157 MHz
72 MHz
Trapping
6.15 GHz
46.77 GHz
72S1/2
F=3
F=2
3/2 F=1
F=0
87Rb
[W] MBR110 Output power
3 Fr-MOT に充分な強度
2
1
0
0
ECLD (780nm) +TA
Rbトラップ光
ECLD (780nm)
Rbリポンプ光
ECLD (817nm)
Frリポンプ光
5
10
15
Verdi pump power [W]
Rb 周波数変調分光安定化
F=2F’=2
F=2F’=3
F=2F’=1
Crossover
resonance
-400
0
Frequency / MHz
400
磁気光学トラップ (MOT)
2次側MOTチャンバー
4-レンズ観測システム構築中
Φ25.4
1次側MOTチャンバー
Rb原子数~108トラップ達成
W. Alt, arXiv:
/0108058v1
[physics.optics]
28 Aug 2001.
単一Rb原子トラップで観測される蛍光強度の見積り
原子の個数×1原子当たりの散乱レート×1光子エネルギー
I: 光の強度 (5mW/cm2)
Is: 飽和強度 (Rb:1.67mW/cm2)
Δ: 離調 (2Γ)
Γ: 原子の緩和レート
(Rb:6.1MHz)
PRb = 3.6 fW
 4 mm 
14,100 cps  APDによる観測可
 核反応で生成する少数 Fr の蛍光観測
中性化装置
イオンビームを中性原子線へ変換する
Fr+
Ion optics
Neutral Fr
Neutralizer
Zeeman slower
Magneto-optical trap
要求最終的にはレーザートラップ
5 keV のイオン  0.1 eV の中性原子
… ビームの減速
ゼーマン減速器：長距離 (~1m) の輸送
… ビームの広がり
差動排気：限られた径 (<1cm)
… ビームの径
▽ゼーマン減速の効果
手法
 アルカリ蒸気との電荷移行反応
 電子プラズマとのイオン電子再結合過程
 イットリウム標的による表面中性化
鳥井寿夫, レーザー冷却とボース・アインシュタイン凝縮
電子プラズマ方式
イオン電子再結合過程
電子プラズマを生成
イオンと再結合して中性化
SSD
a
SSD
Filament
Neutral Fr
Focus lens
Catcher
Fr
Reflector
Ion-reflector
イオン加速電圧 VA = 1 kV
1.8
中性 Fr 収量 [cps]
Fr+
まず中性 Fr 原子の生成を確認
1.6
電子プラズマ成形電圧
1.4
VN=80V
1.2
VN=150V
1.0
VN=200V
0.8
Fr イオン収量＝ 7 cps
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
タングステンフィラメント出力 [A]
Achieved 10% neutralization of fast Fr ion
8
表面中性化方式
熱シールド兼
イオン閉じ込め電極 (+1V)
電場による減速の困難…
イットリウム表面中性化による
熱的な (低速な) 中性原子の発生
Fr+
表面電離と表面中性化を利用
イオンを閉じ込め原子だけを出力
イオン化器
(Pt 1300oC; GND)
Fr0
中性化器
(Y 1300oC; -300V)
9月中に Rb オフラインテスト開始
将来的には…
Laser collimation
2D-MOT
Fr+
Focus lens
Neutral Fr
to MOT
Pt-oven
& Y-target
>10% neutralization efficiency ~ will be realized by laser-lens effect
Rbオフラインテストに向けて
Fr イオン源とは独立して中性化装置を開発
Rb イオン源と中性原子検出器の用意
Rb+イオン収量
最大~500enA
専用 Rb イオン源
中性 Rb 原子の検出
～フィラメントによるイオン化
Rb ampule
CEM
Rb+
Mo target
Rb
Focus lens
(~1000oC)
Viewer
F.C.
Pt-oven
& Y-target
Filament
まとめ
電子EDM探索を目指して大強度レーザー冷却 Fr 生成工場を開発している
融合反応による Fr イオンの生成・引き出しは 106/s を達成
引き出し電極の改良, 一次ビームの増強によるさらなる向上
Rb の磁気光学トラップに成功
Fr 用レーザー光源の整備完了
単一原子トラップの開発
電子プラズマ方式でのFr イオンの中性化に成功
低速中性原子線のための表面中性化方式の開発
二次元レーザー冷却による原子線の高輝度化
2011年度 Rb-EDM 測定に着手
2012年度レーザー冷却 Fr の完成
2013年度 Fr-EDM 測定
Fr 生成実験結果
Fr の a崩壊エネルギースペクトル
Fr生成実験結果
•Fr+ P生成収量 : ~1.4 x 106 /s
(金標的融解で収量増大確認)
•安定供給確認 (~10日間)
•1次ビーム強度による比例増大確認 (250enAまで)
国際的な状況
CYRIC (日本)
Fr 収量
1.4x106 /s
LNL (イタリア)> 0.7~2x106 /s
Fr生成収量[任意単位]
Fr 生成収量の1次ビーム強度依存
1000
TRIUMF
(カナダ)
1次ビーム
18O
(0.2euA, 100MeV)
18O
(1.0euA, 100MeV)
8.5x107 /s (210Fr)
p (2uA, 500MeV)
1.1x108 /s (212Fr)
p (2uA, 500MeV)
http://www.triumf.info/facility/research_fac/yield.php?element_name=Fr
ISOLDE
(CERN)
500
1.9x109 /s (210Fr)
p (1uA, 600MeV)
3.9x109 /s (212Fr)
p (1uA, 600MeV)
https://oraweb.cern.ch/pls/isolde/yield?v_url=query_tgt&v_z=87
0
0
100
200
ビーム強度[enA]
・他の施設では安定供給は概して一桁下がる
⇒標的安定融解型はCYRICのみ
・現在、CYRICの1次ビームの強度は一桁下
EDM 測定精度の見積もり
磁場中でスピン偏極＋逆向きの電場
Larmor 周波数を高精度で測定
1
1
h   Fr B  d Fr  E
F
F
    E   E 
測定感度
K:
E:
N:
τ:
T:
Fr イオン生成:
1 2
d Fr E
hF
 1 1
d 
2K E
1
NT
EDM 増幅度
電場強度
測定粒子数
コヒーレント時間 (偏極保持時間)
測定時間
107 ion/s
レーザーレンズ含む
中性原子線生成効率:
2x106 atom/s (20%)
ゼーマン減速含む
トラップ効率:
106 atom/s (50%)
= 895 for Fr
> 100 kV/cm
> 106 atoms
~ 1 sec
> 106 sec
必要な磁場精度の見積もり
1
1
h   Fr B  d Fr  E
F
F
    E   E
1 2

d Fr E
hF
E=100kV/cm, dFr=1x10-25ecm とする.
209Fr
の場合 F=5 なので


1 2
12
d Fr E 
 110  25 e  cm 100 kV/cm  9.67 10 -7 Hz
hF
h5
測定周期 10秒/回とすると１日(~105秒) で 104回の測定
１回測定あたり許される周波数変動 9.67x10-7Hz x (104)1/2 ~ 100μHz
そのときの磁場変動
B  100Hz  h  F 
1
B
 0.36nGauss
Orthotropic source of thermal atoms
Rev. Sci. Instrum. 67 (3), March 1996
An orthotropic source of thermal atoms
Timothy Dinneen, Albert Ghiorso, and Harvey Gould
Z.-T. Lu et al., Phys.Rev.Lett.79(1997)994
Efficient Collection of 221Fr into a Vapor cell Magnet-optical trap
光格子を用いたEDM探索
光格子によりEDM測定感度を10倍向上
光格子のポテンシャル
3c 2 
U r  
I r 
3
20 
    0 
光の強度

I r   I 0 sin 2 kx
 sin ky / cos 
2

 sin 2 kz / sin  
MOTから光格子への移効率～0.1
X
スピンコヒーレンス時間～1000倍
～
Sensitivity
h 1 1
1
d    
2e K E N   T
測定感度：10倍向上
1
Fr atom
2
2
2
E
Ramsey resonance in optical lattice
スピンコヒーレンス時間～長い
原子を各格子に閉じ込めるので、原子同士 
3
の衝突を抑えることが出来る
高精度EDM探索の実現
532 nm
B
Fr eEDM Measurement Method
Static and active
magnetic shield
MOT
Electrode
H. Gould, web-page:
http://homepage.mac.com/gould137/index.html
Atomic Fountain
Electric focusing
triplets
State preparation
and analysis laser
Ramsey fringe
In the case of Cs fountain experiment.
Atom beam
Fr beam
Optical lattice
MOT
or
J. M. Amini et al., PRA 75, 063416 (2007)
σ+/σ- Laser
Two-photon
Raman transition
C. Chin et al., PRA 63, 033401(2001)
Optical lattice and
Raman sideband cooling
Required conditions for < 10-28 e cm accuracy
- Applied electric field : > 100 kV/cm
→ Achieved in many EDM search experiments.
- Number of trapped Fr atoms : > 4 x 104 atoms /measurement
→ Feasible with intense (107-8 Fr+/s) beam from the new ionizer
and the efficient (~10 %) neutralization with the new neutralizer
m-2
m-1
m
A. J. Kerman et al., PRL 84, 439 (2000)
- Magnetic field instability: < 0.5 nG / 10 s ave.
→ Feasible with a magnetic shield with >106 shielding factor
(Now ~10uG /10 s with no magnetic shield and inactive cyclotron)
サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター破損状況
冷却フランシウム生成を行うための大強度一次ビーム（18O）を供給するサイクロトロン～1年間程度、復旧工事のため運転停止。
地震により、センターの心臓部である加速器本体の支柱が崩壊し、各種構成部品、ビーム輸送装置等が破損。
総重量２００トンの加速器の支持構造補修、加速器内部の精密部品の修理・調整等が共同利用再開に必要。
EDM探索装置開発には支障なし。⇒ サイクロトロン復旧工事中は、安定原子Rbビームを用いて、開発を予定通り遂行。
ビーム供給用真空ダクト破損
加速器構成部品支持部破損
加速器本体を支持する支柱が崩壊

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