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電子 EDM 探索のための 中性アルカリ原子生成装置の開発

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電子 EDM 探索のための 中性アルカリ原子生成装置の開発. 東北大 CYRIC. 伊藤正俊 , 吉田英智 , 原田健一 , 及川明人 , 早水友洋 , 齋藤真樹 , 佐藤智哉 , 加藤智洋 , 江連咲紀 , Huliyar S. Nataraj , Liu Shan, 酒見泰寛. 目次 導入 EDM 探索 大強度レーザー冷却 Fr 装置開発 Fr イオン源 レーザー冷却装置 中性原子生成装置 まとめ. 東北大 CYRIC 川村広和. 東北大理. 東大総合文化. 古川武 , 清水康弘. 青木貴稔. 京大理. 阪大 RCNP.

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Presentation Transcript
slide1

電子EDM探索のための中性アルカリ原子生成装置の開発電子EDM探索のための中性アルカリ原子生成装置の開発

東北大CYRIC

伊藤正俊, 吉田英智, 原田健一, 及川明人, 早水友洋, 齋藤真樹, 佐藤智哉, 加藤智洋, 江連咲紀, Huliyar S. Nataraj, Liu Shan, 酒見泰寛

  • 目次
  • 導入
    • EDM 探索
    • 大強度レーザー冷却 Fr
  • 装置開発
    • Fr イオン源
    • レーザー冷却装置
    • 中性原子生成装置
  • まとめ

東北大CYRIC川村広和

東北大理

東大総合文化

古川武, 清水康弘

青木貴稔

京大理

阪大RCNP

今井憲一, 村上哲也

畑中吉治

九大院理

農工大

東工大

若狭智嗣

畠山温

内田誠

日本物理学会2011年秋季大会@弘前大学

slide2
電気双極子能率 (EDM)

電子 EDM  時間反転対称性の破れ = CP 非保存

標準模型を超える新しい物理の探索

測定感度

: 原子数

: EDM増幅度

: 印加電場強度

: 総測定時間

: コヒーレンス時間

  • 電子 EDM … 原子の中で増幅

フランシウム (Fr) : 原子で最大の増幅度

  • 最大のアルカリ原子 レーザートラップ

 コヒーレンス時間の増大

  • 不安定核~放射性元素 比較的長寿命

目標

209Fr=50 s, 210Fr=3.2 min, 211Fr=3.1 min,…

slide3
大強度レーザー冷却フランシウム生成工場

CYRIC: 第5ターゲット室 (ビームスウィンガー) + 中性子飛行管室 (TOF室)

18Oビーム上方45度から金標的に照射

ビームスウィンガー

18O+197Au→210Fr+5n

209-210Fr product. cross section

[mb]

表面イオン化器

Fr イオンの生成

100

10

偏向電極

90

100

80

Q電極

Beam energy [MeV]

診断系

中性化器

Frイオンを中性原子へ

ゼーマン減速器

レーザー冷却で減速

磁気光学トラップ

レーザーで局所的にトラップ

slide4
Fr イオン源

Fr+

融合反応で Fr 生成: 18O + 197Au → 210Fr + 5n

アインツェル

レンズ

EWF(Au)>EIP(Fr)  表面電離によりイオン引き出し

1次ビーム

引出

電極

Alpha spectrum

18O

210Fr

(6.5MeV)

1000

オーブン

241Am

(5.5MeV)

209Fr

(6.6MeV)

500

Energy [MeV]

金標的

x105

x104

1次ビーム強度依存性

210Fr production [cps]

9

9

  • 金標的温度上昇~融解
  • 1次ビーム強度に比例

0

Fr生成収量[任意単位]

0

100

200

6

6

Oct.2010

July.2010

最大安定供給

1.4x106 Fr+/secを達成

3

3

0

0

1次ビーム強度[enA]

800

900

1000

Gold target temperature [oC]

slide5
生成収量増大に向けた改良

次のステップ

  • Fr+収量:107 /s
  • Fr+ビームコース(11m)輸送効率:90%以上
  • ⇒エミッタンスを小さくする必要

改良した引出収束系

ビーム強度

電圧依存性マップ

引出収束系の改良

  • シミュレーションで現状再現
    • 引き出し直後の引き出し効率:~50%
  • シミュレーションで最適化
    • 無限焦点可能な5要素レンズの導入
    • 引き出し電極形状、内径、位置や
    • ターゲットロッド傾斜などの最適化
  • シミュレーション結果
  • 引き出し直後の引き出し効率: ~94%
  • ビームエミッタンス: ~7πmm*mrad
  • ⇒90%以上でビーム輸送可能

Preliminary

シミュレーション結果

引き出し電極

現在 Rbテスト進行中

Preliminary

ECRイオン源の増強

引き出し部 加速減速器の導入により

1次ビームの高輝度化を図る

Rbテスト結果

ターゲットロッド

中性化器入り口で Fr+ 107 /s 達成の見通し

slide6
レーザー冷却用光源

F=3

267 MHz

F=15/2

F=2

52P3/2

Fr/Rb冷却・トラップに必要な光源~整備完了

周波数安定化も開発中

617 MHz

157 MHz

F=1

F=13/2

72 MHz

72P3/2

500 MHz

F=0

F=11/2

397 MHz

F= 9/2

Trapping

780 nm

F=13/2

Repumping

72P1/2

6.15 GHz

F=11/2

Trapping

780 nm

Repumping

718 nm

817 nm

F=2

F=13/2

52S1/2

6.83 GHz

[W]

MBR110 Output power

46.77 GHz

Ti:S Laser (718nm)

Frトラップ光

72S1/2

F=1

3

Fr-MOT に充分な強度

87Rb

F=11/2

2

210Fr

1

0

0

5

10

15

Verdi pump power [W]

Rb周波数変調分光安定化

ECLD (780nm) +TA

Rbトラップ光

F=2F’=2

F=2F’=3

F=2F’=1

Crossover

resonance

ECLD (780nm)

Rbリポンプ光

ECLD (817nm)

Frリポンプ光

-400

0

400

Frequency / MHz

slide7
磁気光学トラップ (MOT)

2次側MOTチャンバー

4-レンズ観測システム構築中

W. Alt, arXiv:

/0108058v1

[physics.optics]

28 Aug 2001.

Φ25.4

1次側MOTチャンバー

単一Rb原子トラップで観測される蛍光強度の見積り

Rb原子数~108トラップ達成

I: 光の強度 (5mW/cm2)

Is: 飽和強度 (Rb:1.67mW/cm2)

Δ: 離調(2Γ)

Γ: 原子の緩和レート

(Rb:6.1MHz)

原子の個数×1原子当たりの散乱レート×1光子エネルギー

PRb = 3.6 fW

  • 14,100 cps  APDによる観測可
  •  核反応で生成する少数 Fr の蛍光観測

4 mm 

slide8
中性化装置

イオンビームを中性原子線へ変換する

Fr+

Neutral Fr

Ion optics

Neutralizer

Zeeman slower

Magneto-optical trap

要求

最終的にはレーザートラップ

  • 5 keVのイオン  0.1 eVの中性原子 … ビームの減速
  • ゼーマン減速器:長距離 (~1m) の輸送 … ビームの広がり
  • 差動排気:限られた径 (<1cm) … ビームの径

▽ゼーマン減速の効果

手法

  •  アルカリ蒸気との電荷移行反応
  •  電子プラズマとのイオン電子再結合過程
  •  イットリウム標的による表面中性化

鳥井寿夫, レーザー冷却とボース・アインシュタイン凝縮

slide9
電子プラズマ方式

まず中性 Fr 原子の生成を確認

SSD

イオン電子再結合過程

電子プラズマを生成

イオンと再結合して中性化

a

Catcher

Fr

SSD

Reflector

Filament

Neutral Fr

Fr+

Focus lens

Ion-reflector

Achieved 10% neutralization of fast Fr ion

slide10
表面中性化方式

熱シールド兼

イオン閉じ込め電極 (+1V)

電場による減速の困難…

イットリウム表面中性化による

熱的な (低速な) 中性原子の発生

Fr+

表面電離と表面中性化を利用

イオンを閉じ込め原子だけを出力

イオン化器

(Pt 1300oC; GND)

Fr0

中性化器

(Y 1300oC; -300V)

9月中に Rbオフラインテスト開始

Laser collimation

2D-MOT

Fr+

将来的には…

Neutral Fr

to MOT

Focus lens

Pt-oven

& Y-target

>10% neutralization efficiency ~ will be realized by laser-lens effect

slide11
Rbオフラインテストに向けて

Fr イオン源とは独立して中性化装置を開発

Rbイオン源と中性原子検出器の用意

Rb+イオン収量

最大~500enA

専用 Rbイオン源

中性 Rb原子の検出

~フィラメントによるイオン化

Rbampule

CEM

Rb+

Rb

Focus lens

Mo target

(~1000oC)

Pt-oven

& Y-target

Filament

Viewer

F.C.

slide12
まとめ

電子EDM探索を目指して大強度レーザー冷却 Fr 生成工場を開発している

融合反応による Fr イオンの生成・引き出しは 106/s を達成

引き出し電極の改良, 一次ビームの増強によるさらなる向上

Rbの磁気光学トラップに成功

Fr 用レーザー光源の整備完了

 単一原子トラップの開発

電子プラズマ方式でのFr イオンの中性化に成功

低速中性原子線のための表面中性化方式の開発

 二次元レーザー冷却による原子線の高輝度化

2011年度 Rb-EDM 測定に着手

2012年度 レーザー冷却 Fr の完成

2013年度 Fr-EDM 測定

slide15
Fr 生成実験結果

Fr 収量

1次ビーム

CYRIC (日本)

1.4x106 /s

18O (0.2euA, 100MeV)

> 0.7~2x106 /s

18O (1.0euA, 100MeV)

LNL(イタリア)

TRIUMF

(カナダ)

8.5x107/s (210Fr)

p (2uA, 500MeV)

1.1x108/s (212Fr)

p (2uA, 500MeV)

http://www.triumf.info/facility/research_fac/yield.php?element_name=Fr

ISOLDE

(CERN)

1.9x109 /s (210Fr)

p (1uA, 600MeV)

3.9x109/s (212Fr)

p (1uA, 600MeV)

https://oraweb.cern.ch/pls/isolde/yield?v_url=query_tgt&v_z=87

Fr生成実験結果

Fr のa崩壊エネルギースペクトル

  • Fr+ P生成収量 : ~1.4 x 106 /s
  • (金標的融解で収量増大確認)
  • 安定供給確認 (~10日間)
  • 1次ビーム強度による比例増大確認(250enAまで)

1000

国際的な状況

500

Fr 生成収量の1次ビーム強度依存

0

Fr生成収量[任意単位]

0

100

200

・他の施設では安定供給は概して一桁下がる

 ⇒標的安定融解型はCYRICのみ

・現在、CYRICの1次ビームの強度は一桁下

ビーム強度[enA]

slide16
EDM 測定精度の見積もり

磁場中でスピン偏極+逆向きの電場

Larmor周波数を高精度で測定

Fr イオン生成:

107 ion/s

レーザーレンズ含む

中性原子線生成効率:

2x106 atom/s (20%)

ゼーマン減速含む

トラップ効率:

106 atom/s (50%)

測定感度

K:

E:

N:

τ:

T:

EDM 増幅度

電場強度

測定粒子数

コヒーレント時間 (偏極保持時間)

測定時間

= 895 for Fr

> 100 kV/cm

> 106 atoms

~ 1 sec

> 106 sec

slide18
必要な磁場精度の見積もり

E=100kV/cm, dFr=1x10-25ecm とする.

209Fr の場合 F=5 なので

測定周期 10秒/回とすると1日(~105秒) で 104回の測定

1回測定あたり許される周波数変動 9.67x10-7Hz x (104)1/2 ~ 100μHz

そのときの磁場変動

orthotropic source of thermal atoms
Orthotropic source of thermal atoms

Rev. Sci. Instrum. 67 (3), March 1996An orthotropic source of thermal atomsTimothy Dinneen, Albert Ghiorso, and Harvey Gould

Z.-T. Lu et al., Phys.Rev.Lett.79(1997)994

Efficient Collection of 221Fr into a Vapor cell Magnet-optical trap

slide20

光格子によりEDM測定感度を10倍向上

MOTから光格子への移効率~0.1

Sensitivity

X

スピンコヒーレンス時間~1000倍

光格子を用いたEDM探索

光格子のポテンシャル

測定感度:10倍向上

w1

Fr atom

光 の強度

2q

2q

w2

E

  • Ramsey resonance in optical lattice
  • スピンコヒーレンス時間~長い
  • 原子を各格子に閉じ込めるので、原子同士の衝突を抑えることが出来る
  • 高精度EDM探索の実現

w3

B

532 nm

f r eedm measurement method
Fr eEDM Measurement Method

H. Gould, web-page:

http://homepage.mac.com/gould137/index.html

Static and active magnetic shield

Electrode

Ramsey fringe

Atomic Fountain

In the case of Cs fountain experiment.

Electric focusing triplets

State preparation

and analysis laser

Fr beam

Optical lattice

or

J. M. Amini et al., PRA 75, 063416 (2007)

MOT

σ+/σ- Laser

Two-photon

Raman transition

C. Chin et al., PRA 63, 033401(2001)

Required conditions for < 10-28e cm accuracy

- Applied electric field : > 100 kV/cm

MOT

Optical lattice and

Raman sideband cooling

→ Achieved in many EDM search experiments.

- Number of trapped Fr atoms : > 4 x 104 atoms /measurement

→ Feasible with intense (107-8 Fr+/s) beam from the new ionizer

and the efficient (~10 %) neutralization with the new neutralizer

m-2 m-1 m

- Magnetic field instability: < 0.5 nG / 10 s ave.

→ Feasible with a magnetic shield with >106 shielding factor

A. J. Kerman et al., PRL 84, 439 (2000)

(Now ~10uG /10 s with no magnetic shield and inactive cyclotron)

Atom beam

slide22

冷却フランシウム生成を行うための大強度一次ビーム(18O)を供給するサイクロトロン~1年間程度、復旧工事のため運転停止。冷却フランシウム生成を行うための大強度一次ビーム(18O)を供給するサイクロトロン~1年間程度、復旧工事のため運転停止。

  • 地震により、センターの心臓部である加速器本体の支柱が崩壊し、各種構成部品、ビーム輸送装置等が破損。
  • 総重量200トンの加速器の支持構造補修、加速器内部の精密部品の修理・調整等が共同利用再開に必要。
  • EDM探索装置開発には支障なし。⇒ サイクロトロン復旧工事中は、安定原子Rbビームを用いて、開発を予定通り遂行。

サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター破損状況サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター破損状況

ビーム供給用真空ダクト破損

加速器構成部品支持部破損

加速器本体を支持する支柱が崩壊