中性子 EDM 測定のための 129 Xe 核スピン磁束計の 開発 II

1. 2013/3/27 物理学会年次大会　広島大学 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

3. nEDM measurements with 129Xe (I = 1/2) comagnetometer EDM cell ~0.5 nHz νn = (2μnB ± 2dnE)/h n = ~29 Hz νXe= (2μXeB ± 2dXeE)/h E– E+ B = ~12 Hz 129Xe B = 1μT E= 10 kV/cm γn dn–dXe γXe ~10–28e･cm γXe (νn/νXe)E+ 1 ≒ 1 + 4 dmeasE γn hνXe (νn/νXe)E– ~10–11

4. 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

6. Design of 129Xe comagnetomter

7. 129Xe two-photon co-magnetometer 129Xe nuclear spin I =1/2 natural abundance 26.4 % Larmor angular frequency hyperfine structure Doppler free spectrum at 823.4 nm 895.5 nm <5 ns 823.4 nm 823.4 nm 252.5 nm x 2 2 GHz 2 GHz two-photon selection (circularly polarized) X dark state Hyperfine Int. 127 (2000) 121 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.

8. 5p6(1S0): g.s. → 5p5(2P3/2)6p[3/2] 2hν = 9.821 eV, λ = 252.49 nm τ = a few ns δνnat ~ 2πτ = ~0.1 GHz Natural width Line width λ = 252.5 nm ν = 1.19 x 1015 Hz Xeの平均速度 <vx> = 140 m/s, β = 4.6 x 10–7 δνDoppler ≅ 2.35βν = 1.3 GHz Doppler broadening δνpressure = (28.8 ± 2.6) MHz/Torr(FWHM) @~1 mTorr δνpressure = ~0.03 MHz Pressure broadening J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 22 (1989) L241 δνtotal = ~1.3 GHz (FWHM)

9. Two photon excitation spectrum ・We use ②. ・transition rates are nearly the same for ① and ②. 5p56p(J=2)← 5p6 252.5nm 5p56p(J=0)← 5p6 249.6 nm ② ① Transition rate Transition rate: [Phys. Rev. A24 (1981) 3115] W = aI2G(ω) = 1.9 × 102I2/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)] Chem. Phys. Lett. 75 (1980) 473

10. Excitation transition rate : W(I(r)) = 1.9 × 102 [I(r)]2/ΔL Production rate of Xe*：PXe* beam intensity : I(r) = EL (1/2πσL2) exp(–r2/2σL2) (gaussian distribution) PXe* = nXeL∫ 2πrW(I(r)) dr ∞ Excitation of Xe& Detection of decay photons 0 = 1.5 × 103nXeL (EL/σL)2ΔL–1floss (s–1) Detection of Decay photons（Near IR） ・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] Counting rate：YIR ratio of photon emission：rIR ~1/τXe/(1/τXe + ΓI) detection efficiency ：εIR YIR = εIRrIRPXe* (s–1)

11. Estimation of IR photon yield

12. Simulation: CW laser ωL/2π = 12 Hz @B0 = 1 µT T2 = 300 s 0.01 s/bin 104 cps δν = 11 µHz in 100 s YIR = 108 cps → δν = 〜10 nHz/day dn〜10–27ecmレベルまで到達

14. まとめ • 129Xe核スピン磁束計実現に向けて、 ２photon 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 〜10–27ecmまで到達可能であると予想できる。

15. 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。 YNIR ∝ (EL/σL)2 × εNIR EL: laser power σL: beam size εNIR: photon detection efficiency [方法] • Decay photon 検出効率εNIRの向上。レンズで集光 → ＞ｘ10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。 → ｘ~103倍。

16. 2013.01.15@RIKEN Report「Vacuum UV laser」 T. Wada, N. Saito (RIKEN) T. Shinozaki (Megaopto co. Ltd) Y. Masuda (KEK) K. Matsuta, M. Mihara (Osaka U.)

17. Design of VUV(252.5 nm) CW laser Wada, Saito, Shinozaki Second harmonics Generation (SHG) 505 nm Yb doped Fiber laser 1010 nm CLBO (SHG) 252.5 nm Cabity ＋ ~0.5W ~2W Green laser ・efficient ・long lifetime ・stable ・AC100V ・variable λ by temp. ・0.5W → 10M JPY？ 252.5 nm ~0.1 W ∆ν < 1 GHz Finer laer ＋ SHG ・CLBO (CsLiB6O10) several tens kJPY／year Megaopt co. ltd http://www.megaopto.co.jp/

18. 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。

19. 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

22. GPE for 129Xe 129Xe mean free path λ (= 1/nσ) = 0.7~5 mm @2.5 x 1014 /cc (7 mTorr) Buffer gas effect suppresses GPE

23. GPE for 129Xe PLA376(2012)1347 df ∝ (∂B0z/∂z)R2/c2 · S Suppression factor S = (Td/TL)–2= 6 x 10–4 diffusion time Td = (2R)2/(vxyλ) ~1.5 s Larmor precession time TL = 2π/ω0 ~40 ms B0 = 2 µT ∂B0z/∂z = 2 nT/m R = 0.25 m vxy = 240 m/s@300K λ = 0.7 mm dfXe = ~0.9 x 10–28ecm cf. dfHg = ~5 x 10–26ecm