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

EDM ： Electric Dipole Moment（電気双極子モーメント）の存在 時間反転対称性の破れ

□対称性の破れ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

＊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)

T対称性は破れているはず

s

sT 変換

Time: t －tSpin: s －sEDM: d d

□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

□素粒子理論が予言するEDMの値

・標準模型 |de| ＜ 10-37 e cm・超対称性模型（標準模型を超える物理）

detectable|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 標準模型を超える物理の探索

なぜEDMを探索するのか？

3

TNEKehd

⋅⋅⋅⋅⋅=

τδ 111

2

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

□測定精度：

10－310585205Tl1021001150210Fr

τ[s]E[kV/cm]K

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

□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。

フランシウムを用いてのEDM測定

4

中性化磁気光学トラップ（MOT)

レーザー

Fr+ イオン表面イオン化器 EDM 探索

□核融合反応によってFrを生成 @ RCNPFr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

Fr ビーム生成

□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

イオン化

EDM探索のための実験装置

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

・ 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

□MOT レーザー冷却 ＋ 磁気による復元力

□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

σ+

σ-

σ+

σ-

I

σ+

σ-

I

ωA

レーザー光 レーザー光

ωL＜ωA ωL＞ωA

原子

ωA

レーザー光 レーザー光

ωL＜ωA ωL＞ωA

原子

v

＜

磁気光学トラップ（MOT)の原理１

7

右回り円偏光σ+ ： Δm = + 1左回り円偏光σ- ： Δm = - 1

エネルギー

σ+ σ-

mF = －1

mF = 0

mF = 1

mF = 0 位置

□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。

磁場の形状：原点でゼロ

磁気光学トラップ（MOT)の原理２

8

□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。

Rb原子を用いてのテスト

I

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

Rb(I=5/2)

5P3/2

5S1/2

F′

F

1

2

4

3

23

D2

780nm

85

120.7MHz

63.4MHz29.3MHz

3035.6MHz

トラップ

リポンプ

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。

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。

MOTに必要な光源

11

□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

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）

特徴

ECLD

Tapered Amplifier

Isolatorλ/2 Prism

1W

20mW

レーザー光源の開発

テーパーアンプ

ECLD

12

θ

The 0th Order Beam

The 1st Order BeamGrating LD

Lens

2d sinθ = mλ

Grating角度θ (ピエゾ素子)温度 (サーミスタ & ペルチェ素子)電流

波長調整

LD

Collimation Lens

Gratingピエゾ素子

□LDの発振線幅から共振器により好みの波長を選ぶ

外部共振器型半導体レーザー（ECLD)

13

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 20 40 60 80 100Current[mA]

Pow

er[

mW

]

780.30

780.35

780.40

780.45

780.50

19 20 21 22 23 24 25

Wav

ele

ngt

h[n

m]

T[℃]

780.40

780.45

780.50

30 40 50 60 70 80 90 100 110Current[mA]

Wav

ele

ngt

h[n

m]

さらに

飽和吸収分光法を用いて波長をモニター、微調整

LDの電流値 LDの電流値

20mW 達成

20mWの出力があればテーパーアンプにより1Wまで増幅可

開発したECLDの特性

14

外部共振器型半導体レーザー (ECLD)

テーパーアンプ（素子の大きさは0.2mm四方と小さい）

Prismλ/2

アイソレータ

1WLensLens TA

Peltierdevice

テーパーアンプ ～ECLD出力光をアンプ～

15

ECLDの電流値

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

]69.99mA 80.01mA 100.06mA 130.10mA

1W 達成

テーパーアンプの出力

16

周波数[MHz]

透過

率

周波数[MHz]

透過

率

周波数[MHz]

透過

率

線形分光

飽和吸収分光

63 121

飽和吸収分光 ： Doppler free な分光法

Rbの超微細構造をモニター

Rb Vapor CellPhotoDiode

pump beam

probe beam

波長のモニター・調整 ～飽和吸収分光～

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%）

18

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6

z[cm]

B[G

auss

]

R

A

z

ρ

R

導体直径φ＝1.9mm巻数 N＝42回電流 7A起磁力 294ATA/R＝0.63

磁場勾配 ： 9.51G/cm

理論値

測定値

MOTを行う領域（半径30mm）

アンチヘルムホルツコイル

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

50mm

・ 無反射（AR)コーティング

透過率 99.5％

・ 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

・ パイレックス製

強度UP

製作したセル：波長と反射率の関係

780nm

0.5%

トラップセル

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

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

IsolatorIsolatorECLD

λ/2λ/2 PBS

ECLD&

TA system

IsolatorIsolator

λ/2λ/2PBS

飽和吸収分光系へ

飽和吸収分光系へ

To Cell

To Cell

トラップ光

リポンプ光

MOT実験

23

3.8mm

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）

捕獲されたRb原子

半径～3.8mm持続時間～12分

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

温度～100μK（推定）

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

MOT成功！！

24

□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）

まとめ