1 電子EDM探索の為の 磁気光学トラップ装置の開発 核物理研究センター 金田 隆章 2 なぜEDMを探索するのか？ EDM ： Electric Dipole Moment（電気双極子モーメント）の存在 □対称性の破れ ＊ 時間反転対称性の破れ CPT変換は恒等変換（CPT定理） ＆ CP対称性破れの発見(1964年 K中間子の崩壊) C変換 ： 粒子と反粒子を入れ替える P変換 ： 空間反転 T変換 ： 時間反転 T対称性は破れているはず □EDMの存在はT対称性を破る EDMの検出 → T対称性破れの直接的検証 s □素粒子理論が予言するEDMの値 ・標準模型 |de| ＜ 10-37 e cm T 変換 ・超対称性模型（標準模型を超える物理） |de| ＜ 10-27 e cm これまでの実験での上限値 |de| ＜ 1.5×10-27 e cm Goal ： |de| ＜ 10－28 e cm detectable Time: t Spin: s EDM: d s －t －s d 標準模型を超える物理の探索 3 フランシウムを用いてのEDM測定 □EDMの測定方法 印加電場と磁場が平行か 反平行かで才差運動の周期 が 変わる。その差を計測。 1 h 1 1 ⋅ ⋅ ⋅ □測定精度： δd = 2e K E N ⋅τ ⋅ T K ： 増幅因子～α2Z3 (アルカリ原子） E ： 電場 N ： 原子数 τ： コヒーレンス時間 T ： 総測定時間 Kが大きいFrをトラップして測定すれば、 205Tl実験より優れた測定精度を実現 K E[kV/cm] τ[s] 210Fr 1150 100 102 205Tl 585 10 10－3 4 EDM探索のための実験装置 □核融合反応によってFrを生成 @ RCNP Frをイオン化し、イオン光学によりEDM計測装置へ伝送 → 中性化 □磁気光学トラップ法によりFrを冷却・捕獲 レーザーと磁気コイルを用いてトラップ 高真空中で106個のFrをトラップし、EDM探索を行う Fr ビーム生成 中性化 表面イオン化器 磁気光学トラップ（MOT) EDM 探索 Fr+ イオン イオン化 レーザー 5 磁気光学トラップ Magnet Optical Trap : MOT 原子を冷却・捕獲する技術 測定精度を高めるために重要 本修士論文の研究ではMOT技術の確立をめざし、装置の開発を 行った。 冷却原子を観測することができた。 6 磁気光学トラップ（MOT)の原理１ □MOT レーザー冷却 ＋ 磁気による復元力 σ+ σ原子 レーザー光 ωL＜ωA I レーザー光 ωA ωL＞ ＜ωA v σ- σ+ I σ+ σ- □レーザー冷却（ドップラー冷却） 共鳴より低い周波数の光を前、後方から入射。 速度vで運動する原子は、ドップラーシフトにより前方の光と共鳴する。 → 前方の光から輻射圧を受ける。 → 減速 ・ 到達温度 TD ～ 100μK 数百m/s の速さで飛来した粒子を、１m で数cm/s まで減速 7 磁気光学トラップ（MOT)の原理２ □磁気光学トラップ • アンチヘルムホルツコイルで磁場をつくる。 → 原子の励起準位の磁気副準位mFがゼーマンシフトする。 • レーザーの入射方向は６本。対向するレーザーの偏光を逆向きの円偏光にする。 さらに、周波数を共鳴周波数より低く調整する。 →偏光の遷移選択則により、原子は常に原点に戻る復元力を受ける。 右回り円偏光σ+ ： Δm = + 1 左回り円偏光σ- ： Δm = - 1 エネルギー mF = 1 mF = 0 mF = －1 磁場の形状：原点でゼロ σ+ σ- mF = 0 位置 8 Rb原子を用いてのテスト □Frは放射性元素で不安定なので、まず安定なアルカリ原子Rbを用いて MOT装置のテストを行う。 •磁気光学トラップ（MOT) レーザー光源 アンチヘルムホルツコイル トラップセル I 真空装置 RbでMOT技術を確立すれば、 FrのMOTはレーザーの波長を 変更するだけで実現できる。 I 9 実験装置の開発 □光源 □アンチヘルムホルツコイル（磁場勾配～10G/cm） □トラップセル（トラップ光 透過率 ＞ 99%） 10 MOTに必要な光源 85 Rb (I=5/2) トラップ領域で飽和強度（1.6mW/cm2） 程度のレーザー光が得られるよう、 １W出力できる光源をめざす。 D2 780nm 120.7MHz 3 2 1 63.4MHz 29.3MHz リポンプ 5P3/2 4 トラップ MOTには2本のレーザー光が必要 1. 冷却・捕獲のためのトラップ光 2. 自然放出でトラップ光に反応しない 準位に落ちてしまった原子を 再び上準位へ汲み上げる リポンプ光。 F′ F 3 5S1/2 3035.6MHz 2 11 レーザー光源の開発 □外部共振器型半導体レーザー（ECLD) と テーパーアンプにより構成 特徴 1. 安価な半導体レーザーにより構成 2. 大出力（１W以上） 3. 波長可変 4. 狭い線幅 （＜自然幅 ＝ ６MHｚ） λ/2 Prism Isolator ECLD ECLD 20mW 1W Tapered Amplifier テーパーアンプ 12 外部共振器型半導体レーザー（ECLD) The 0th Order Beam θ Grating Lens The 1st Order Beam LD 2d sinθ = mλ □LDの発振線幅から共振器により 好みの波長を選ぶ Collimation Lens 波長調整 LD Grating ピエゾ素子 Grating角度θ (ピエゾ素子) 温度 (サーミスタ & ペルチェ素子) 電流 13 40 35 30 25 20 15 10 5 0 20mW 達成 0 20 40 60 Wavelength[nm] Power[mW] 開発したECLDの特性 80 100 Current[mA] LDの電流値 Wavelength[nm] 780.50 780.50 780.45 780.40 30 40 50 60 70 80 90 Current[mA] LDの電流値 20mWの出力があれば テーパーアンプにより1Wまで増幅可 780.45 780.40 さらに 780.35 780.30 100 110 19 20 21 22 T[℃] 23 24 25 飽和吸収分光法を用いて 波長をモニター、微調整 テーパーアンプ ～ECLD出力光をアンプ～ 14 外部共振器型半導体レーザー (ECLD) λ/2 Prism アイソレータ Lens TA Peltier device Lens 1W テーパーアンプ（素子の大きさは0.2mm四方と小さい） 15 テーパーアンプの出力 ECLDの電流値 69.99mA 80.01mA 100.06mA 130.10mA 1400 Power[mW] 1200 1W 1000 800 600 400 200 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 テーパーアンプの電流値[mA] 3.0 達成 波長のモニター・調整 ～飽和吸収分光～ 飽和吸収分光 ： Doppler free な分光法 線形分光 Rbの超微細構造をモニター probe beam Rb Vapor Cell 周波数[MHz] 飽和吸収分光 透過率 透過率 PhotoDiode 透過率 pump beam 63 121 周波数[MHz] 周波数[MHz] 16 17 実験装置の開発 ;光源 □アンチヘルムホルツコイル（磁場勾配～10G/cm） □トラップセル（トラップ光 透過率 ＞ 99%） アンチヘルムホルツコイル z R R 導体直径φ＝1.9mm 巻数 N＝42回 電流 7A 起磁力 294AT A/R＝0.63 A ρ 40 35 30 MOTを行う領域（半径30mm） B[Gauss] 25 20 理論値 測定値 15 10 磁場勾配 ： 9.51G/cm 5 0 0 1 2 z[cm] 3 4 5 6 18 19 実験装置の開発 ;光源 ;アンチヘルムホルツコイル（磁場勾配～10G/cm） □トラップセル（トラップ光 透過率 ＞ 99%） 20 トラップセル 50mm ・ パイレックス製 ・ 金属フランジ部 → セル 膨張係数の異なるガラスを段階的に接続 強度UP 780nm ・ 無反射（AR)コーティング 透過率 99.5％ 0.5% 製作したセル：波長と反射率の関係 21 磁気光学トラップ実験 開発した装置を用いてMOTを実現 22 MOT実験 トラップセル → 京都大学量子光学研究室のものを使用 ・トラップ光： ECLD ＋ テーパーアンプ → 1W ビーム径 20mm に拡大（ビームエキスパンダー） ・リポンプ光： ECLD のみ → 20mW ビーム径 4mm リポンプ光 To Cell λ/2 PBS Isolator ECLD 飽和吸収分光系へ To Cell トラップ光 λ/2 ECLD & TA system PBS Isolator 飽和吸収分光系へ 23 MOT成功！！ 捕獲されたRb原子 半径～3.8mm 持続時間～12分 温度～100μK（推定） MOTされたRbの発光を CCDカメラで観測 （セルの窓から撮影。窓は直径20mm） 3.8mm 12分の持続時間 → レーザー光源はよく安定している 飽和吸収分光の信号による波長のロック回路を用いれば、さらに安定させることができる トラップ光のビーム径を絞っても大きさに変化は見られない → リポンプ光のビーム径に依存 ビーム径の改善 原子個数、温度を定量的に測定する必要がある → 吸収イメージング法 まとめ □EDM探索 時間反転対称性の破れを検証するため、EDM探索を行う。 そのために磁気光学トラップ技術を導入した。 □磁気光学トラップ実験 ・ 12分間のRb原子のMOTに成功。 ・ 安価で線幅の狭い、安定したレーザーを作成することができた。 ・ 光源の波長を変更すれば、FrのMOTを行うことができる。 □今後の課題 MOTの定量的な評価（温度、トラップ個数） 光源の性能向上（安定化装置の作成） 真空排気系準備 Frを用いたEDM探索（核融合反応、ビームライン、MOT） 24
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