中性子 EDM 測定のための129Xe 核スピン磁束計の開発 II

三原基嗣 1, 増田康博 2, 鄭淳讃 2, 川崎真介 2, 渡邊裕 2, 松多健策1, 畑中吉治 3, 松宮亮平 3, 旭耕一郎 4, C. Bidinosti5, Y. Shin6

1 阪大院理 , 2 高エネ研 , 3 阪大 RCNP, 4 東工大 , 5Winnipeg 大 , 6TRIUMF

2013/3/27 物理学会年次大会　広島大学

nEDM measurements with 129Xe (I = 1/2) comagnetometer

n

129Xe

EDM cell

B E+ E–

νn = (2μnB ± 2dnE)/h

νXe= (2μXeB ± 2dXeE)/h

(νn/νXe)E+

(νn/νXe)E–

≒ 1 + 41hνXe γn

γXedmeasE

dn– 　　 dXeγXe

γn

~10–28 e ･ cm

~10–11

B = 1μT

E = 10 kV/cm

= ~29 Hz

= ~12 Hz

~0.5 nHz

129Xe 磁束計の特性• UCN 吸収断面積が小さい 　　　　　 σa[129Xe] = 21 b, cf. σa[199Hg] = 2050 b• g 因子の符号が中性子と同じ 　　　　　　　　　　→ 地球の自転の影響を受けない• 幾何学的位相効果 (GPE) が小さい

Design of 129Xe comagnetomter

129Xe two-photon co-magnetometer129Xe

Larmor angular frequency

nuclear spin I =1/2natural abundance 26.4 %

895.5 nm

823.4 nm

hyperfine structure

X

two-photonselection

(circularly polarized)

dark state

5p56p ← 5p6 two-photon excitation will be used to selectively excite MF=-1/2 level of polarized Xe. 5p56p → 5p56s emission will be used to detect the excitation.

<5 ns

823.4 nm

Hyperfine Int. 127 (2000) 121

2 GHz 2 GHz 252.5 nm x 2

Doppler free spectrum at 823.4 nm

Line width

Doppler broadening

λ = 252.5 nmν = 1.19 x 1015 HzXe の平均速度 <vx> = 140 m/s, β = 4.6 x 10–7

δνDoppler ≅ 2.35βν = 1.3 GHz

Natural width τ = a few nsδνnat ~ 2πτ = ~0.1 GHz

5p6(1S0): g.s. → 5p5(2P3/2)6p[3/2] 2hν = 9.821 eV, λ = 252.49 nm

Pressurebroadening

δνpressure = (28.8 ± 2.6) MHz/Torr (FWHM)

@~1 mTorrδνpressure = ~0.03 MHz

J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 22 (1989) L241

δνtotal = ~1.3 GHz (FWHM)

W = a I2 G(ω) = 1.9 × 102 I2/ΔL

　 a ： parameter depending on matrix element

　　　 = 1.4 x 102 cm4/J2

　 I : laser intensity (W/cm2)

　 G(ω) ： laser line shape function　　　　 = (8ln2/π)1/2/ΔL [ΔL ： line width (rad/s)]

　

Transition rate

5p56p(J=2) ← 5p6

252.5 nm 5p56p(J=0) ← 5p6

249.6 nm

Chem. Phys. Lett. 75 (1980) 473

Two photon excitation spectrum

① ②

・ We use ②. ・ transition rates are nearly the same for ① and ②.

[Phys. Rev. A24 (1981) 3115]Transition rate:

Excitation of Xe & Detection of decay photons

Excitation

・ 5p56p → 5p56s (823.4 nm & 895.5 nm) decay　　 decay rate ： 1/τXe* (τXe* = a few ns) = ~108 s–1

・ Ionization by 3 photons　　 ionization rate ： ΓI = 2.4I(W/cm2) [Chem. Phys. Lett. 75 (1980) 473]

Detection of Decay photons （ Near IR ）

ratio of photon emission ： rIR ~1/τXe/(1/τXe + ΓI)detection efficiency ： εIR YIR = εIR rIR PXe*

Production rate of Xe* ： PXe*

transition rate : W(I(r)) = 1.9 × 102 [I(r)]2/ΔL

PXe* = nXe L ∫ 2πr W(I(r)) dr

= 1.5 × 103 nXe L (EL/σL)2 ΔL–1 floss

beam intensity : I(r) = EL (1/2πσL2) exp(–r2/2σL

2)

nXe : Xe number density (cm–3) σL : gaussian beam distribution width (mm)

L : active length (cm) ΔL : laser band width (rad/s)

EL : laser power (W) floss : beam loss factor

(s–1)

0

∞(gaussian distribution)

Counting rate ： YIR

(s–1)

Estimation of IR photon yield

Pulse laser CW laser

laser power: EL 1 mJ/pulse 300 mW

pulse width, cycle 5 ns, 10 Hz –

beam distr. width: σL 0.02 mm (0.05 mm FWHM)

Laser band width: ΔL/2π 1 GHz

Beam loss factor: floss 0.4

Xe number density: nXe 1 x 1014 cm–3 @3 mTorr

active length: L 25 cm

production rate of Xe*: PXe* 1.7 x 1011 pulse–1 2 x 1010 s–1

IR detection efficiency: εIR 1 x 10–3

ionization rate of Xe*: ΓI 1.5 x 108 s–1 2.4 x 102 s–1

lifetime of Xe*: τXe* 3 ns

ratio of IR emission: rIR 0.7 1

IR Counting rate: YIR 1.2 x 107 pulse–1 8 x 107 s–1

Simulation: CW laser

ωL/2π = 12 Hz @B0 = 1 µTT2 = 300 s0.01 s/bin104 cps

δν = 11 µHz in 100 s

YIR = 108 cps → δν = 〜 10 nHz/daydn 〜 10–27 ecm レベルまで到達

まとめ• 129Xe 核スピン磁束計実現に向けて、　２ photon excitation によるスピン歳差運動検　出の方法について検討した。• 真空紫外 CW レーザーを用いて、　 dn 〜 10–27 ecm まで到達可能であると予想できる。

CW レーザーの可能性

• 出力 100mW 、ビームサイズ 0.5mmΦ では ~103 個 /s• UCN の統計 ~106/batch(=~600s) を十分に上回るには、収量を

103–4 倍向上させる必要がある。

[ 方法 ]• Decay photon 検出効率 εNIR の向上。レンズで集光 → ＞ｘ 10

倍。• レーザーのエネルギー密度を上げる。 　ビームサイズは数 10μm の実績あり？　　　出力 300mW は可能？• バンド幅を狭くし、コリニアーにしてドップラー拡がりをキャン

セルする。

YNIR (∝ EL/σL)2 × εNIREL: laser powerσL: beam sizeεNIR: photon detection efficiency

→ ｘ ~103 倍。

Report「 Vacuum UV laser 」

T. Wada, N. Saito (RIKEN)T. Shinozaki (Megaopto co. Ltd)

Y. Masuda (KEK)K. Matsuta, M. Mihara (Osaka U.)

2013.01.15@RIKEN

Design of VUV(252.5 nm) CW laser

Yb dopedFiber laser

1010 nm

Finer laer＋

SHG

Second harmonics Generation

(SHG)505 nm

~2WCabity

~0.5W

Green laser

・ efficient・ long lifetime・ stable・ AC100V・ variable λ by temp.・ 0.5W → 10M JPY ？

CLBO(SHG)

252.5 nm＋

Megaopt co. ltdhttp://www.megaopto.co.jp/

252.5 nm~0.1 W∆ν < 1 GHz

・ CLBO (CsLiB6O10)　　　 several tens kJPY ／ year

Wada, Saito, Shinozaki

打ち合わせまとめ

• 理研和田グループは、 J-PARC の超低速ミュオン用に、水素のLyman-α(122 nm) レーザーを開発中である。また、コンパクトで非常に安定なグリーンレーザーを開発し、ベンチャーで販売している。彼らの経験から 0.1 W の 252 nm CW レーザーは実現可能とのこと。

• 構成は、ファイバーレーザーと SHG 内部共振器からなる「グリーンレーザー」と、 CLBO 結晶を用いた外部共振器が寿命、安定性等の点から良いであろう。

• カナダ提案のアルゴンレーザー、リング色素レーザー、 BBO のシステムは、短寿命、不安定、不経済等問題多し。

• 我々の実験に必要な性能（パワー、波長幅、ビーム径など）を算出し、改めて実現性、金額等について相談する。

参考資料「ファイバーレーザー」固体レーザには YAG レーザ、ディスクレーザ、半導体レーザおよびファイバー自身が発振器となるフ ァイバーレーザがある。この中で、シングルモードが得られるファイバーレーザ発振器の原理と基本構成 を図 3 に示したが、図中上部に示すようにダブルクラッドファイバーの内側クラッドに外付けファイバーを 介して励起光を導入し、これを外側クラッドとの界面で全反射させながら伝播させることで、 Yb をドーピン グしたコアファイバーを効率よく励起している。さらにこのコアファイバーの両端には回折格子が埋め込ま れており、光を FBG 理論で反射させて増幅している。従って、このレーザはファイバーそのものを媒質と して、かつ反射ミラーを使用せずに効率よく共振 増幅できる特徴を持っている。なお励起光は同･図右 上部に外観を示すが、光通信仕様の LD(保証時間： 100,000Hr 以上 )を使用している。コアファイバーの径は 9μm 程度で、波長 1,080nm のシングルモードの光が得られる。先の図 2 に示 したファイバーレーザの１モジュールは同図下部にその外観を示すが、 350W－ 600W のシングルモード ビームの出力が得られている。このモジュールを並列に接続すると出力がその数に比例してｎ倍化されマルチモード化する。国内で は 20kW まで市販されているが、 2008 年に IPG 社では 30kW 、ファイバー径 0.2mm の高出力で高エネ ルギー密度な発振器を発表している 3 ) 。また発振効率はランプ励起 YAG レーザが数％、 LD 励起 YAG レーザ、ディスクレーザおよび CO2 レ ーザがそれぞれ約 15% で、これらと比較してファイバーレーザおよび半導体レーザは発振効率が 25-30% と高いので、冷却設備の負担が少なく、設備として空冷チラーがあれば良く、クーリングタワーは不要と なる。また共振ミラーがないので精密なアライメント系が不要となり、発振器は小型化されキャスター付き のケースに収められ、可搬性にも優れた装置になっている。加工の面では、ファイバーレーザは先に述べたような特性から、溶接と切断の共用化が進められてい る。さらに BPP が良いため遠距離 ( リモート )加工ができるので、近年はリモート溶接の適用も進んでいる。なおファイバーレーザはドーピング材の Yb に代わり Er や Tm を使用することで発振波長を変えること ができる。またパルスレーザ、フェムト秒レーザ、グリーンレーザ、 UV レーザ、等の各種シングルモード /マ ルチモードのファイバーレーザ発振器も開発されているが、本稿では略す。

http://www.laserx.co.jp/technology/sm_fbl/part2.html

GPE for 129Xe

Buffer gas effect suppresses GPE

129Xe mean free path λ (= 1/nσ) = 0.7~5 mm

@2.5 x 1014 /cc (7 mTorr)

GPE for 129Xe

Suppression factor S = (Td/TL)–2 = 6 x 10–4

df ∝ (∂B0z/∂z)R2/c2 · S

dfXe = ~0.9 x 10–28 ecmB0 = 2 µT∂B0z/∂z = 2 nT/mR = 0.25 mvxy = 240 m/s@300Kλ = 0.7 mm

diffusion time Td = (2R)2/(vxyλ) ~1.5 s

Larmor precession time TL = 2π/ω0 ~40 ms

cf. dfHg = ~5 x 10–26 ecm

PLA376(2012)1347