129Xe原子EDM測定のための スピンメーザー開発 井上壮志, 吉見彰洋*, 内田誠, 古川武, 畠山直人, 土屋真人, 林宏憲, 旭耕一郎 東工大理工 理研仁科センター* 東京工業大学 研究会 “Fundamental Physics Using Atoms” @東工大 2009/08/04 - 05 Outline •電気双極子モーメント(EDM) - EDM と時間反転対称性の破れ - EDMの実験上限 - 反磁性原子EDMの起源 •129Xe “Active” 核スピンメーザー - 実験セットアップ - 光ポンピングと光学的スピン歳差検出法 - 核スピンメーザー •実験結果 •改良・開発 - フィードバック回路のデジタル化 - 高感度磁力計 •まとめ 電気双極子モーメント(EDM) d s d s +++ +++ - - - - - - 古典的描像 ベクトル (スピンに平行) 標準理論 (SM) ： 現在の実験上限値より105以下の中性子EDMの予言値 SMを超える理論 ： 検出可能な予言値 EDM探索 ⇒ 標準理論を超える物理の検証 EDM上限値の推移 中性子EDMの予言値 |dn| < 2.9 × 10-26 ecm C.A. Baker et al., PRL. 97 (2006) 131801 Pendlebury and Hinds, d(129Xe) < 4.1×10-27 ecm Rosenberry and Chupp, PRL 86 (2001) 22 d(199Hg) < 3.1×10-29 ecm W.C. Griffith et al., PRL 102 (2009) 101601 NIM A 440 (00) 471 標準理論 (dn = 10-31 ~ 10-33 ecm) 反磁性原子EDMの起源 電子の角運動量 = 0 原子核内のP,T-odd の効果に起因 原子核のSchiffモーメントによる 反磁性原子EDMの生成 Schiff shielding 電子雲が再配列し外部電場を相殺 Eext Eint Eext + Eint = 0 P,T-oddな核子核子間相互作用 によるSchiffモーメント生成 クォークのchromo-EDMによる CP-oddなパイオン交換 V.A. Dzuba et al., PRA 66, 012111 (2002) (T. Falk et al., hep-ph/9904393) 129Xe原子を用いる理由 AFP-NMR signal Transverse spin 1. 自由歳差運動の積み重ね + 自由歳差運動 定常振動(メーザー発振) Transverse spin 2. スピン歳差運動の維持 (メーザー発振) + ∙ ∙ ∙ ∙ + Active” 核スピンメーザーを用いたd(129Xe)の探索 Goal ；10-28 ∼ 10-29 ecm EDM測定の原理 電場の向きに従うエネルギーシフト E // B ハミルトニアン : E // B スピン歳差周波数シフト B EDM測定 ⇒ 周波数シフトの変化の差の測 定 B E s E s 実験セットアップ 磁気シールド (4層) 光ポンピングによる ・パーマロイ (Fe-Ni合金) Si フォトダイオード ・バンド幅 : 0 ∼ Rb原子偏極 500 kHz Signal [mV] ・NEP : 8 × 10-13 W/Hz Rb原子エネルギーレベル 円偏光による選択的励起 129Xe 129Xe核-Rb原子間のスピン交換相互作用 ソレノイドコイル (静磁場用) 129(I ・B0 による = 30.6 mG = 7.354 mA) Xe核スピン偏極 自由歳差シグナル N Xe Rb 2 Rb 129 129Xe N2 円偏光板 129Xe 129Xe Rb ヒーター Rb ポンピングレーザー ・波長 : 794.76 nm PEM Rb (Rb D1ライン) 129Xe 129 横偏極移行 : Xe核 ⇒ Rb原子 (再偏極) ・Δλ = 3 nm ・出力 : 11 W 129Xe gas cell129Xe核スピン歳差運動⇒プローブ光 (Rb D1 ライン)により光学的に検出 B0 B129 0 Xe : 230 torr プローブ光 ：794.76 nm 円偏光 N2 : 100 torr 129Xe 129Xe 透過強度最大Time [s] 透過強度最小 (PEMによる変調) 18 mm Rb : ~ 1 mg パイレックスガラス Rb Rb SurfaSil コーティング 129Xe 129Xe 129Xe 129Xe 129Xeスピン歳差運動の 半周期後 磁気シールド (4層) φ : 400 mm, L = 1600 mm ソレノイドコイル φ : 254 mm, L = 940 mm フィードバックコイル 129Xeガスセル ポンピングレーザー ヒーター用チューブ PEM プローブレーザー 核スピンメーザー “Conventional” 核スピンメーザー 核スピンとフィードバックコイルの 強い結合 “Active” 核スピンメーザー 光学的スピン歳差検出法を用いての 能動帰還磁場 緩和・ポンピング効果 B0 Yoshimi et al., (2002) Richards et al., (1988) : 3He spin maser Chupp et al., (1994) : 129Xe spin maser Static magnetic field : B0 ~ G Static フィードバックトルク magnetic field : B0 ∼ mG Feedback coil L Feed back field Induced current I ∝ nPQ Capacitor C Pumping light Probe light Feedback system ν0 Feedback circuit P(t) Lock-in detection Feedback coil P⊥(t) Pumping light Photo diode Spin precession signal B (t) 発振条件 Radiation dumping time transverse relaxation time ν > kHz (B0 > 1 G) ⊥ 低磁場(∼ mG)でのメーザー発振 静磁場変動の抑制 ↓ 周波数変動の抑制 メーザーシグナル Signal [mV] 帰還磁場印加 Time [s] 定常振動 Signal [mV] Signal [mV] 初期増加 Time [s] Time [s] 周波数解析 VX VY Phase [rad] 位相の時間発展 Time [s] ⇒周波数精度 ： 9.3 nHz (Tm = 3.0 104 s) ⇔EDM 精度：9 10-28 ecm (E = 10kV/cm) 測定時間1週間 : δν ∼ 0.1 nHz ⇔ δd ∼ 10-29 ecm 周波数精度 10-23 10-5 10-24 10-6 10-25 10-7 10-26 10-8 10-27 10-9 10-28 10-10 30000 Measurement time [s] 10-29 EDM (E = 10 kV/cm) [ecm] Time [s] 10-4 Frequency precision [Hz] Signal [mV] Lock-in Amp 出力 メーザー周波数の長時間安定性 t > 1000s での周波数精度向上の抑制 t > 30000s での周波数精度の悪化 メーザー周波数のドリフト 100 µHz Frequency [mHz] Frequency [mHz] 1000秒平均の周波数変動 Time [s] 100 µG → 100 nG → 125 µHz ソレノイド電流のドリフト Current [mA] 2.) 環境磁場のドリフト (1000秒スケール) 1.5 mHz Time [s] 1.) ソレノイド電流のドリフト (1000秒スケール) 10 nA ; 40 nG ∼ 50 µHz 2 mHz (調査中) 350 nA ; 1.4 µG ~ 1.6 mHz (磁気遮断率 : ~ 103) Time [s] 現在 ● active スピンメーザーへのデジタル化された フィードバックシステムの導入 ● 高感度原子磁力計の構築 ● ダブルセルの作成,及び偏極度試験 (ポンピング部分とメーザー発振部分の分離) ● ソレノイド電流源の温度安定化 ● 129Xeセルの温度コントロールシステムの構築 が進行中 現在 ● active スピンメーザーへのデジタル化された フィードバックシステムの導入 ● 高感度原子磁力計の構築 ● ダブルセルの作成,及び偏極度試験 (ポンピング部分とメーザー発振部分の分離) ● ソレノイド電流源の温度安定化 ● 129Xeセルの温度コントロールシステムの構築 が進行中 デジタル化されたフィードバックシステム AD変換実行開始命令 データ要求 AD変換完了 AD変換実行中 データ取得 演算の実行 DA変換実行命令 出力 CPU ADC DAC アナログ入力 アナログ出力 CPU : HD64F7144F50 ADC : ADS7808U DAC : DAC7641U メーザー発振(デジタル回路) Signal [V] 周波数精度 Time [s] Frequency [mHz] 1000秒平均の周波数変動 0.4 mHz Frequency precision [Hz] ● デジタル回路 ● アナログ回路 現在調査中 Time [s] Time [s] 周波数引き込み効果 帰還磁場の位相のずれ Δφ => メーザー周波数シフト Expt. Simulation 高感度原子磁力系の構築@理研 Rb原子の非線形磁気効果 (NMOR) 高感度磁力計 1st ステップ：ファラデー回転 直線偏光 k Rb原子 D. Budker et al.,PRA 62 (2000) 043403. B ファラデー回転 Rb原子のファラデー効果スペクトル Rbセル Rotation angle (mrad) 4.0 85Rb D1, F=3 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 Magnetic field (G) 2.0 Summary and Future • Activeスピンメーザーを用いて, 測定時間30,000秒で9.3 nHzの周波数精度を 得た。 これは印加電場が10 kV/cmの場合, 9 × 10-28 ecm のEDM精度に 対応する。 • Activeスピンメーザーにデジタル化したフィードバックシステムを導入して メーザー発振に成功した。 • NMORに基づくRb原子磁力系を構築中である。 数G領域でのファラデー回転を測定した。 ダブルセル (ポンピング部分とメーザー発振部分の分離)の 製作・偏極度テスト, ソレノイド電流源の温度コントロール, 電場印加システムの構築・リーク電流の抑制 ダブルセル (試作) ⇒ d(129Xe) = 10-28 ~ 10-29 ecm. (∼ 0.1 nHz). 最終セットアップ (概念図) 磁気シールの消磁, ソレノイド電流源の温度依存性 ・磁気シールドの消磁 : S ~ 5×103 Magnetic field [µG] シールド内の残留磁場 消磁前 消磁後 導入時 Position [cm] Temperature [ºC] Current [mA] ・ソレノイド電流源の温度依存性 ソレノイド電流 300 nA Time [day] 1 ºC Time [day] 温度 電場印加テスト, ダブルセル ・高圧印加試験 Leakage current [nA] リーク電流 Preliminary Corning 7740 Corning 7056 High voltage [kV] ・ダブルセル製作・偏極度テスト AFP-NMRシグナル (ダブルセル) Preliminary Signal [V] ポンピング部分 P ~ 23.5% 2 cm メーザー発振部分 ダブルセル(試作品) Time [s] 最終セットアップ (概念図) Ongoing R&D2 : Highly sensitive Rb magnetometer Linear polarized light k Rb atom B Faraday rotation Rb cell Magneto-Optical Rotation Spectrum of Rb 4.0 Rotation angle (mrad) Nonlinear Magneto-Optical Rotation (NMOR) of Rb atom High sensitive magnetometer D. Budker et al.,PRA 62 (2000) 043403. 85Rb D1, F=3 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 Magnetic field (G) 2.0 Rotation effect ： → Spin relaxation time by fitting data transit time of atoms Δt →1/Δt = 8.0× 104 s-1 (laser spot : φ3mm) NMORの波長依存性 Rb 原子磁気光学回転スペクトラム D1, F=3 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 Magnetic field (G) 2.0 Fluorescence signal (arb. Unit) 85Rb 0.4 0.3 Rb蛍光強度 87Rb F=2 0.2 85Rb F=3 0.1 Bz = -0.5 G fixed レーザー波長コントロール 85Rb 0.4 0.2 F=3 85Rb 0.3 87Rb -0.2 F=2 F=2 87Rb F=1 0.1 Laser frequency detuning Rotation angle [mrad] Fluorescence signal (arb. unit) Rotation angle (mrad) 4.0 プローブレーザー波長スイープ (磁場を-0.5 Gに固定) NMOR シグナル -0.4 -0.6 -0.8 Laser frequency detuning 今後： 内壁をコーティング（Paraffin）した Rb セルで実験 → スピン alignment の緩和抑制 → 幅の狭いNMOE スペクトラム (1μG) （Rb スピン緩和測定を行いセルの特性評価） CoaOng cell → 高感度磁力計へ： δB = 10-12 ~ 10-13 G ( 10-29 ecm に相当) D. Budker et al.,PRA 62 (2000) 043403. 磁場 10mG 程度での磁力計の稼働 (FM‐NMOE) まずはメーザーセルの近くに設置して周辺磁場モニターとして できれば Xe メーザーセルの共存 Rb を磁力計に利用 (comagnetometer) Xe‐Rb 系で磁力計感度をどこまで上げられるか？ Rb 原子 EDM の効果がどの程度影響するか? (dA(Rb) は小さいと予想されるが…） Wavelength dependence of NMOR Probe laser wavelength sweep (Magnetic field is fixed) Rotation angle (mrad) 4.0 85Rb D1, F=3 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 Magnetic field (G) 2.0 Fluorescence signal (arb. Unit) Magneto-Optical Rotation Spectrum of Rb 85Rb 0.4 85Rb 0.3 0.2 F=3 87Rb F=2 F=2 87Rb F=1 0.1 Laser frequency detuning 0.3 87Rb F=2 0.2 85Rb F=3 0.1 -0.2 Rotation angle [mrad] Fluorescence signal (arb. unit) 85,87Rb の吸収蛍光 Rb laser induced fluorescence 5.0 Bz = -0.5 G fixed レーザーの周波数制御 0.4 4.5 3.5 2.5 2.0 1.5 NMOE signal -0.4 -0.6 -0.8 5.0 4.5 3.5 2.5 2.0 1.5 Laser frequency detuning [GHz] SUSY混合行列 Squark sector 中性子EDM, 反磁性原子EDM md~ d~ KOTO@J-PARC Slepton sector 電子EDM, 常磁性原子EDM m~e ~e MEG@PSI ミューオンEDM @J-PARC mm~ m~ Belle実験： EDMの起源 中性子 •核子EDMの直接測定 •不安定粒子 : τ1/2 = 614.8 s • 低密度 : ρ ∼ 1-100 UCN/cm-3 M. Pospelov and A. Ritz, Annals of Phys. 318, (2005) 119-169 反磁性原子 (129Xe, 199Hg, Rn, Ra…) •安定粒子 •Schiff モーメント •dn, qQCD, dq, dqcolor 常磁性原子 •電子EDM; de (enhancement factor) Tl, Fr, Cs… 129Xe, 199Hg, Rn, Ra… 極性分子EDM
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