1

冷却不安定原子を用いた電子の電気双極子能率探索

酒見 泰寛

東北大学 サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター

１．背景２．冷却不安定原子によるEDM探索

３．実験装置開発の現状４．今後の展望

2

経緯：・ Prof. Masaike and Prof. Yabusaki at Kyoto ~ Fr EDM discussed ・ 今井さん ~ 京大タンデムでのFr生成検討・ 2004年 高橋（量子光学）、Das（EDM理論） ~ Fr EDM search実験計画・ 2005年 阪大・RCNP ～ Fr生成テスト開始・ 2006年 Rb MOT・ 2007年 東北大・CYRIC ～ Fr生成用ビームライン整備・ 2009年 新学術領域研究「極限量子」 領域代表者：笹尾さん 発足

・ 実験装置の開発～進行中

国内のEDM探索計画・ muon g-2/EDM ~ Prof.Saito at KEK・ neutron EDM (UCN) ~ Prof. Masuda at KEK・ Xe EDM ~ Prof. Asahi at Tokyo Tech. ・ Yb EDM ~ Prof. Takahashi at Kyoto ・ Fr EDM ~ Sakemi at Tohoku・CYRIC・ ……

3

Physics motivationUnderstanding the baryon asymmetry in the Universe → requires extra CP-violation

Search for the phenomena beyond the standard model ~ EDM

Jr

dr T

J−r

dr CPT ~ No evidence of violation

T: Time Reversal ~ No evidence of violation CP: violation was found ~ K0, B decayCPT theorem + CP violation → T violation ?

e EDM from standard model : 3 loop diagram with de = 1 loop-diagram ~ no EDM + 2 loop ~ no EDM + gluonic correction

+ +e

e

γ

e

e

eL eL

eR eR

ν

W

Wf

f

f

b

bb

eR

eL

W

W W

uj

dj

Lowest order where EDM appears Estimation ~ 10-37 e・cm

電子の電気双極子能率 (Electric Dipole Moment : EDM)

時間反転対称性（T）の破れ

4

EDM and MSSM

Phase pattern~ limit the SUSY particle mass, phase

2

sin~

Mμθ

Small SM background (via CKM phase)

< 10-37 e・cm

位相パラメータの相関図

MSUSY=500 GeV

5

Some EDM measurements

EDM Experiments WorldwideSystems where EDM have been looked at are fundamental particles, atoms and molecules

11 orders of magnitude larger than the Standard Model prediction.

6

Origin of the EDMs

TeV

Energy

QCD

nuclear

atomic

Fundamental CP phases

pion-nucleon coupling ( )

EDMs of paramagnetic atoms (dFr )

EDMs of diamagnetic atoms ( )

Neutron EDM ( )

Ref. Maxim Pospelov and Adam RitzAnnals Phys.318:119-169,2005

7

Theoretical prediction

de(Standard Model)<10-37

⇒ No background of the contribution from the standard model

8

不安定原子を用いたEDM探索

不安定原子核

陽子数が多い～電荷が大きい原子中に極端に大きな電場を形成微小な現象を見る顕微鏡

EDM探索：

電子に電場をかけて応答を見る

放射性元素～崩壊崩壊粒子を測定高精度観測

8

8

20

20

50

50

126

82

82

28

28

最大のアルカリ原子２１０Fr

9

EDM Measurement and Sensitivity

EdhEdBhEdBh

⋅=Δ⇒

⋅−⋅=

⋅+⋅=

↑↓

↑↑

42222

νμνμνE E

Electric dipole moment : d

System containing EDM

K×deAmplified !Example: d=10-25 e cm, E=10 kV/cm, ωe = 10-6 Hz

TNEKehd

⋅⋅⋅⋅⋅=

τδ 111

2Sensitivity

電子EDM増幅度

大きい原子大強度表面イオン化器

レーザー冷却磁気光学トラップによる偏極保持時間の向上

フェッシュバッハ共鳴を用いた極性分子生成

10

EDM search ~ Francium atom

Le~

γ

e e

Re~

bino

Le~

γ

e e

Re~

bino電子

超対称粒子

Fredr

電子EDM ～ 微弱な信号を増幅する機構 ～ 原子

eFr ddrr

×=1150

20

25223 )0(~~~aeVZZ

ddK s

e

atom αψα

Enhancement factor

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100

K

Char

ge :

Z

Enhancement factor simple

Rb Xe Cs

Tl

Fr

Enh

ance

men

t fac

tor

フランシウム：原子量最大のアルカリ原子 ～ 放射性元素電子EDM増幅度～最大原子構造～Simple

電子EDMの増幅度最大の原子～フランシウム

11

Journey of EDM search

A challenge is set ! de < 10-28 e・cm

No experiment of the EDM search for the cooled radioactive atoms

12

13

従来：原子ビームを用いた測定本計画：原子を冷却・トラップして測定

フランシウム（210Fr : 放射性元素）をレーザー冷却・トラップして高精度測定

~10-3 secτ：コヒーレンス時間~102 sec

~10-27EDM (e・cm)~10-28 以上

585K：増幅度1150

Tl（world record）210Fr

電子EDM増幅度最大の放射性元素：210Fr を原子核反応により生成．レーザーによる210Frの冷却・トラップによりコヒーレンス時間増大．測定感度 600倍以上の向上～次世代のEDM探索方法．

磁気光学トラップ装置（MOT)

EDM search ~ Laser trap

レーザー

1 nK 1 μK 1 K1 mK 1000 K室温液体4He液体3He

レーザー冷却蒸発冷却

温度

BECFD

Fr原子をレーザー冷却で数μKに冷却し、トラップする

→ 長い相互作用時間を実現できる。測定感度の飛躍的向上

14

Presented by Dr.Giulio Stancari @ INFN Ferrara at ISOLDE workshop at CERN, Feb.2006

Fr from the decay of 225Ac

( shutdown )

→ to CYRIC

→ focus to Atomic Physics

15

レーザー冷却フランシウム源の構成

16

加速器

ターゲット（thin）

破砕核分析装置

蓄積リング・冷却

In Flight ISOL重イオンビーム 陽子・軽イオンビーム

高エネルギーGeV/u (μs)

experiment

低エネルギー・冷却meV to 100 MeV/u(ms to several s)

質量分析器

gas catcher (ms)

IGISOL (ms)

ターゲット

experimentHigh precision

experiment

レーザー冷却・トラップ

ターゲット（thick）

イオン源（high temperature)

２つの不安定核生成方法

17

Francium production

18O+197Au Fr production

0.01

0.1

1

10

100

1000

50 70 90 110 130

beam energy (MeV)

Cro

ss s

ecti

on (

mb)

212Fr 211Fr 210Fr 209Fr 208Fr

18O+197Au

19F+198Pt Fr production

0.01

0.1

1

10

100

1000

50 70 90 110 130

Beam Energy

Cro

ss S

ection (

mB

)

212Fr 211Fr 210Fr

19F+198Pt

210Fr ~ 3min.

212Fr ~ 18 min.

Fusion Reaction :Statistical model calculation

18O + 197Au → 207-211Fr + Xn

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=+

kTEE

nn IPWFexp

21

0

標的 : 金 (Au) ~ EWF(5.1eV)>EIP(3.8eV) → Fr+ イオン

イオンと中性原子の生成比率：

EWF:仕事関数EIP：イオン化ポテンシャル

FrRn

At

Po

Bi

209 210 211

206 207 208

209 210

207 208

204 205 206

Ionization Potential (eV)

3.83

10.748

9.65

8.43

7.289

18

CYRICサイクロトロン・ラジオアイソトープセンター（CYRIC）

1. 耐震補強工事～2010年・2月末日終了予定2. 空調機（フィルターチェンバー）修理～3月にずれ込む3. 3月以降～Frビーム輸送系等、設置開始4. ビーム供給再開～3月後半以降～企業の半導体照射優先5. サイクロ運転：Fr生成装置テスト再開～4月以降6. 10GHz ECRイオン源～再開後テスト開始～18O beam増強～1 uA7. High intensity laser cooled Fr factory インフラ整備

① レーザー光源部屋の整備進行中～2月末完了② 光ファイバー等の敷設～2月初旬③ Swinger磁石の復旧・修理～3月～4月④ MOT/EDM測定室の整備

①レーザー光源部屋

③Swinger磁石

④MOT/EDM測定室

②光ファイバー～150m

High intensity laser cooled Fr factory

1 4 7

10

13

16

19

22

25

28

31 n

1

10

100

1000

10000

event(arb. unit)

energy (MeV)

particle

emitted particles

n p alpha gamma

Neutron ~ a few MeV⇒ damage to detector (CCD etc..)⇒ MOT should be located

far from production target

19

Surface ionizer at SUNY/LNL

197Au disk on W support rod 1200 K for surface ionizer 3 kV to extract Fr+ ion Fusion reaction : 197Au(18O,xn)215-xFrFocusing elements ~ design with 3d field calculationBeam emittance estimation ~ good transport efficiency 30 mg/cm2

Fr production

100 mg/cm2 ~50 um

18O Beam

Au (just below the melting point)

W(Tungsten rod)

Beam emittance

Surface ionizer + Focus elements

Extracted Fr beam

SUNY LNL

20

ターゲットロッド

オーブン

金ターゲット

外追い返し電極

内追い返し電極

Fr+ Fr+ Fr+Fr+

9cm

熱反射板

引き出し電極

Surface Ionizer

オーブン型の構造:融合反応により生成したFrを閉じ込め引き出し電極のサイズを調整して小エミッタンスのFrビームを実現

18O + 197Au → 207-211Fr + Xn

ビームエミッタンス～２０πmm・mrad

21

Surface Ionizer for Fr production

22

表面イオン化器加熱テスト

オーブン 600℃ 中心 700℃

部分的に融解した金ターゲット

23210Fr引き出し効率 0.29% (世界最高 イタリアLNL 30%)

金ターゲット中のFr生成量引き出し効率(%) =

引き出したFr×100

coun

t

coun

t

210Fr (6.543MeV)

206At(5.703MeV)

210Fr(6.543MeV)

Results ~ present status

210Fr収量 4.1×104 atoms/sec (世界最高 イタリアLNL に並ぶ)

24

フランシウム収量 ~104 Fr+/sec ～world record にほぼ並ぶ。 ～ 最大瞬間風速引き出し効率 ： 0.3 %～0.003% 非常に小さい。

原因 ：① オーブン（Ni）の表面処理 → 仕事関数が変わる。 ⇒ 化学的安定な物質

② オーブンの温度～低い。 → イオン化効率が低い。 ⇒ オーブンの高温化③ 引き出し電極による電場 ⇒ 電極形状・構成の最適化

Results ~ Fr production yield

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 50 100 150

Run number

収量

(count/

sec)

~ beam intensity

World record at LNL/Italy

Extraction efficiency

Simulation with single track

Exp. data (target:1286K)

Exp. data (target:820K)

ターゲット温度

電場構造

オーブン温度

25

Frイオン生成～一次ビーム入射方法

• 106 ion/secのFr+イオン引き出し

– 18O5+ - 100MeV ビームを 2μA程度で金標的に照射する必要あり

• ターゲットの冷却機構がない場合、金標的が溶ける

• 冷却→Frイオンの引き出し効率が悪化

• 融点近くの温度を維持したまま照射する必要あり

18O5+ beam

重力で落ちる

金標的

金標的が溶けた後の状態

• ビームを垂直、または45度方向から照射

– 重力による溶解した金標的の落下を防ぐ

– 融点付近の温度コントロールが容易に

• ＣＹＲＩＣ ビームスインガーの利用（第一期 ～ ２０１０年度）

– 磁石電源更新～今年度中

– 4月までに復旧・真空槽改良

～現在横倒し～縦置きに配置

– 5月にビーム輸送テスト

• ＣＹＲＩＣ Fr生成専用コース

（第二期 ２０１０年度以降）

金標的

18O5+ beam

26

改良中のFrイオン源

45°入射スウィンガー磁石

表面イオン化器

Rb入射系（オーブンその他）

金ターゲット

Frイオン

表面イオン化器の構成要素

18Oビーム Rbビーム

Frイオン

オーブン

ターゲット

アインツェルレンズ

引き出し電極

冷却機構付きターゲットロッド

27

１８Oビームの垂直入射

縦置き表面イオン化器

Swinger磁石の復旧～3月~4月

28

ビーム輸送系の高真空度実現へ向けて

1. 境界条件：～表面イオン化器（10-6 torr）～MOT（10-9）

2. 電極等、構造をもつダクト内部のアウトガス軽減～石英ガラス管を電極内部に配置

3. コンダクタンスの悪い場所を複数配置し、段階的に真空度を上げる構造。～ダクトのサイズ等、検討中。

4. 設計～１２月までに完了5. 製作完了～３月6. 動作試験～３月末

収束電極～真空容器～２重構造 Differential Pumping

29

Fr ビーム輸送系

DL2 DL4DL3Q2 Q4Q3

ThermalIonizer

850 850 850 100030004697

TMPTMP

Wall

Wall

1250

Neutralizer500D1

18O Q1

200

100

200

200

430

300

・ビームライン全体の配置

イオン光学計算

第５ターゲット室

Swinger磁石

TOF室

30

|g>

|e>v

Principle of Laser Cooling1. Absorption of a right photon

2. Emission of the photonkick

|g>

|e>v

resultant kick along the direction of the absorption

Force = Pdp kdt

γ= ×h

Photon carries energy and momentum

3. Absorption of photons from a laser beam

no preferred direction for emission

E=ħωp = ħk

|g>

|e>

many photons

Typically an atom needs to scatter ~105 photons for slowing down

31

レーザー冷却と磁気光学トラップ(MOT)

ドップラー限界温度B

D kT

2Γ

=h

λ Γ/2π TD TR

87Rb 780 nm 5.9 MHz 145 μK 0.36 μK210Fr 718 nm 7.6 MHz 187 μK 0.18 μK

リコイル限界温度 2

222 1λM

hkMk

kTBB

R ==h

Trap: 718nm Repump: 817nm

F=11/2

F=13/2

F=9/2F=11/2F=13/2F=15/2

46.8 GHz

397 MHz500 MHz617 MHz

7s2S1/2

7p2P3/2

32

ECLD+Taper amp. for Rb trap

MOPA configuration : Master oscillator ~ ECLD ~ 10 mWPower amplifier ~ Taper amp. ~ 1 W

ECLD

Taper amp.

Collimation Lens

LD

Gratingピエゾ素子

LensLens TA

Peltierdevice

ECLD Taper amp.

LD

Grating

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

テーパーアンプの電流値[mA]

Pow

er[

mW

] 1W 達成

795 nm, 817nm 用の光源を製作

33

3.8mmTrapped Rb atoms

Size ～3.8mmLifetime ～12 min. without lock circuit

Rb MOT

34

Atom EDM search

~10-27Best limit Atomic beam205Tl (e)California / LBL

MOT+Laser Trap

MOT+Laser Trap

MOT

MOT/Penning

MOT

Trap

Takahashi171Yb (p) Kyoto

AsahiXe (p)Tokyo Tech.

TISOLTRIUMF

~10-28This experiment210-212Fr(e)Tohoku・CYRIC

First beam Ra (p)TRImPKVI

Atomic structure210FrSUNY

Goal Status Elements ProjectInstitute

Dy,Sm,Ba

FrYb

205Tl

Ra

129Xe 3P2

Others199HgRn129Xe 1S0Nucleus

OthersFe3+CsRbElectron

Elements EDM

35

TRITRIμμPP Combined Fragment and Recoil SeparatorCombined Fragment and Recoil Separator

RFQ cooler/buncher

MOT

AGOR cyclotronIon catcher (gas-cell or thermal ioniser)

Low energy beam line

MOT

DD

DD

Q

QQ

Q Q

QQ

Q

Magnetic separator

Productiontarget

Wedge

36

次世代電子EDM探索の候補： 極性分子

現在の実験技術限界 極性分子内の内部電場E ～ 100 kV/cm → E ～ 1～100 GV/cm

不対電子

－+diamagnetic

atom paramagneticatom

内部電場1～100 GV/cm

tEdRtU ze−=Δ∝θ電子EDM

スピンの角度変化

電場が1000～1000000倍に向上する

異なる原子からなる分子内の電子は、どちらかの原子に少し偏った分布となり、２つの原子がイオンのようになり、内部電場が発生する。

P : 偏極率Eint : 内部電場t : 相互作用時間N : 分子数T : 測定時間（積算時間）

TNEPde τ

δint

h=

paramagnetic molecule

37

次世代のEDM探索候補

原子ビーム

EDM測定感度 大

温度が低い （相互作用時間 長い）

分子ビーム

電場強い

レーザー冷却

トラップ原子

トラップ分子

Fr EDM

YbF 実験PbO 実験

レーザー冷却

フェッシュバッハ共鳴

×

38

フェッシュバッハ共鳴と分子生成

R

R

原子A 原子B

B

２原子の初期状態でのエネルギー（open channel）と、スピンの異なる状態(closed channel)での

束縛状態エネルギーが等しいとき、共鳴が起こる。

２原子 分子en

ergy

スピン

束縛状態

ΔE=0のとき共鳴

スピンの異なる状態は、ゼーマンエネルギーの磁場依存性が異なるため、磁場を用いてΔEをコントロールでき、ある磁場でエネルギーが等しくなる。

磁場を断熱的に掃引すると、原子状態から分子状態へ移行する。

磁場を掃引する

初期状態

束縛状態

初期状態

原子間の相互作用

39Rb BEC N=107

Rb原子で他の原子を共同冷却する

Li

KNa Fr

Sr

?

40

フェッシュバッハ共鳴の準備状況

東大・青木さん

Li原子

Li-K分子

2008年Li-K 分子生成に成功 (T = 0.4TF)（Max-Planck、ドイツ）

2009年Rb原子のフェッシュバッハ共鳴観測（東大） (T = 200 nK)

2008年 Rb原子BECで世界最大の原子数107個 実現 （東大）1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011

3.0x105

3.5x105

4.0x105

4.5x105

5.0x105

5.5x105

6.0x105

6.5x105

N (

atom

s)

B (G)

41

冷却・トラップされた極性分子を準備する方法

次世代の電子EDM探索の候補：フェッシュバッハ共鳴により生成された極低温極性分子

不対電子

ー+diamagnetic

atom

paramagneticatom

内部電場約1GV/cm

・現在、極性分子を直接冷却したりトラップするのは難しい （相互作用時間 τ 短い）。

・Fr原子とSr原子を別々にレーザー冷却・トラップ

→ フェッシュバッハ共鳴による分子生成

（ポテンシャルに閉じ込められた相互作用時間 τ の長い、極性分子）

Fr Sr

電子EDM感度

Fr原子：R最大のparamagnetic原子

Sr原子：

レーザー冷却が最も成功しているdiamagnetic原子

τ = 1 s, N = 106, 1 day 積算で、<10-30 e cm

TNEPde τ

δint

h=

42ν

I

Sr原子レーザー冷却のための光源を製作

922 nm 用テーパーアンプ 第2次高調波461nm発生のための

非線形光学結晶と光共振器

Sr原子の飽和吸収信号検出に成功！（ラムディップ） 波長461.862 nm

今後レーザー光源をこの周波数に同調して安定化させる。

ラムディップ

Sr原子吸収信号

冷却遷移461 nm

1S0

1P1

43

To CYRIC from 2010

Relativistic Coupled Cluster Method~ 多体問題の第一原理計算

Fr-EDM理論～電子EDM増幅度の高精度計算

Fr-EDMの

理論計算

44

Rb

Fr EDM enhancement factor の高精度計算～ started

EDM enhancement factor

Core excitation

Valence excitation

45

Collaborators

伊藤 正俊、吉田 英智、高橋 利弥、早水 友洋、及川 明人（東北大学・CYRIC）

青木 貴稔（東京大学）

村上 哲也、今井 憲一（京都大学）

畑中 吉治（大阪大学・RCNP）、若狭 智嗣（九州大学）、内田 誠（東工大）

清水 康弘（東北大学）、H.Nataraj（東北大学・CYRIC）

46

新学術領域研究 「原子が切り拓く極限量子の世界」～素粒子的宇宙像の確立を目指して～ （2009年～2013年）

計画研究B02: 冷却不安定原子を用いた電子電気双極子能率探索

総括班笹尾

計10名

計画研究：Ａ０１：笹尾ニュートリノ

計10名

計画研究：Ａ０２：川口ナノ貯蔵標的

計5名

計画研究：Ｂ０１：旭原子核ＥＤＭ

計7名

計画研究：Ｂ０２：酒見冷却不安定原子ＥＤＭ

計10名

計画研究：Ｃ０１：杉山微細構造定数

計4名

ナノ空間貯蔵原子を用いたニュートリノ研究

冷却原子を用いた超対称性の研究

冷却イオン光時計を用いた物理定数時間変化

47

EDM world国内ではレプトン・ハドロン様々なEDM探索実験計画が進行中

レプトンEDMミューオンEDM＠KEK/J-PARC → 斎藤さん (g-2) , 次世代ミューオンEDM探索SUNY（ストニーブルク大学）＠米国 → 加速器シャットダウンLNL＠イタリア → ビーム強度に上限あり→Frの原子構造研究Fr EDM＠東北大CYRIC → 国内加速器施設を拠点としたEDM探索

クォークEDM（原子核）旭グループ＠東工大 → Xeを用いた革新的な方法によるEDM探索中性子EDM：増田グループ＠KEK → 大強度UCN高橋グループ＠京大 → 冷却YbKVI研究所＠オランダ サイクロトロン（K=600）TRIUMF

実験

理論

クォーク色電荷EDM

電子EDM

量子色力学 量子色力学

原子理論 原子理論原子理論

原子核理論

核子中性子

Diamagnetic原子

Hg, Xe, Rn

Paramagnetic原子

Tl, Cs, Fr

分子PbO,YbF,TlF

基本理論－超対称模型…

クォークEDM

素粒

子原

子核

原子

TeV

GeV

MeV

KeV

eV

48

Summary

電子EDM 原子核EDM

冷却不安定原子を用いたEDM探索準備中 ～ 国際的にまだ実施されていないフランシウム～電子EDM増幅度最大

レーザー冷却・トラップ技術を用いてコヒーレンス時間を向上EDM測定精度の向上 ～ 大強度Fr生成工場の実現が鍵

オーブン型表面イオン化器とビーム輸送系開発～世界最高収量と同程度～最大瞬間風速多くの課題： 表面材質、Swinger磁石を用いたビーム垂直入射等、改良を進行中

レーザートラップ装置の開発を含めて、3年以内に全装置の整備完了・測定開始をめざす。

冷却不安定原子を用いた次世代EDM探索技術の確立～他の不安定核への展開を検討。レプトン・ハドロンのEDM探索を、EDM増幅度が高い不安定原子を用いて推進。