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 　川村広和

日本物理学会 2011 年秋季大会＠弘前大学

目次1. 導入

• EDM 探索• 大強度レーザー冷却 Fr

2. 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

3. まとめ

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

青木貴稔

今井憲一 , 村上哲也 畑中吉治

若狭智嗣 畠山温 内田誠

古川武 , 清水康弘

東北大 CYRIC

東北大理 東大総合文化

京大理 阪大 RCNP

九大院理 農工大 東工大

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

目標 cm10 28 ed e

測定感度

TNEKd

111

2

K N T

E: EDM 増幅度 : 印加電場強度 : 原子数

: コヒーレンス時間 : 総測定時間

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

電気双極子能率 (EDM)

１ 009080

１ 00

１ 0

１

[mb]209-210Fr product. cross section

Beam energy [MeV]

大強度レーザー冷却フランシウム生成工場

ビームスウィンガー

磁気光学トラップゼーマン減速器

診断系

中性化器

Ｑ電極偏向電極

表面イオン化器18O ビーム上方 45 度から金標的に照射

Fr イオンの生成

レーザー冷却で減速レーザーで局所的にトラップ

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+197Au→210Fr+5n

Fr イオンを中性原子へ

Fr イオン源

18O

Fr+

１次ビーム

アインツェルレンズ

引出電極

オーブン

１次ビーム強度 [enA]

Fr生

成収

量[任

意単

位]

0 100 2000

500

1000

800 900 10000

3

6

9x105

0

3

6

9x104

210Fr production [cps]

Gold target temperature [oC]

Oct.2

010

July.

2010

金標的

融合反応で Fr 生成 : 18O + 197Au → 210Fr + 5nEWF(Au)>EIP(Fr) 表面電離によりイオン引き出し

241Am (5.5MeV)

210Fr (6.5MeV)

209Fr (6.6MeV)

Energy [MeV]

Alpha spectrum

１次ビーム強度依存性

金標的温度上昇～融解１次ビーム強度に比例

最大安定供給1.4x106 Fr+/sec を達成

生成収量増大に向けた改良

改良した引出収束系

ターゲットロッド

引き出し電極

• 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

次のステップ

1. 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%

2. 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

引出収束系の改良

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

ECR イオン源の増強

中性化器入り口で Fr+ 107 /s 達成の見通し

現在 Rb テスト進行中

ビーム強度電圧依存性マップ

シミュレーション結果

Rb テスト結果

Preliminary

Preliminary

F=2

F=16.83 GHz

F=3F=2F=1F=0

267 MHz157 MHz 72 MHz

52P3/2

52S1/2

780 nm Repumping

Trapping

87Rb

780 nmF=13/2

F=11/2

46.77 GHz

F=15/2

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

617 MHz500 MHz397 MHz

72P3/2

72S1/2

718 nm RepumpingTrapping

F=13/2F=11/272P1/2

817 nm

210Fr

6.15 GHz

レーザー冷却用光源

0-400 400Frequency / MHz

F=2F’=1F=2F’=2 F=2F’=3

Crossover resonance

0 5 10 1501

2

3MBR110 Output power

Fr-MOT に充分な強度

Verdi pump power [W]Rb 周波数変調分光安定化

[W]

ECLD (780nm) Rb リポンプ光

ECLD (817nm)

Fr リポンプ光

ECLD (780nm) +TARb トラップ光

Ti:S Laser (718nm)Fr トラップ光

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

2 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

4- レンズ観測システム構築中

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 fW14,100 cps APD による観測可 核反応で生成する少数 Fr の蛍光観測

Φ25.4

4 mm

W. Alt, arXiv:/0108058v1 [physics.optics] 28 Aug 2001.

1 次側MOTチャンバーRb 原子数 ~108 トラップ達成

磁気光学トラップ (MOT)

中性化装置

Neutral Fr

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

イオンビームを中性原子線へ変換する

　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

Zeeman slower Magneto-optical trap

Fr+

Ion optics Neutralizer

鳥井寿夫 , レーザー冷却とボース・アインシュタイン凝縮

▽ゼーマン減速の効果

要求

手法

最終的にはレーザートラップ

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0 2 4 6 8

中性

Fr 収

量[c

ps]

タングステンフィラメント出力 [A]

イオン加速電圧VA= 1 kV

電子プラズマ成形電圧

VN=80V

VN=150V

VN=200V

Fr イオン収量＝ 7 cps

イオン電子再結合過程

Achieved 10% neutralization of fast Fr ion

電子プラズマを生成イオンと再結合して中性化

Fr+

Ion-reflector

SSD

Neutral FrFilament

Focus lens

SSD

Reflector

CatcherFr

a

電子プラズマ方式 まず中性 Fr 原子の生成を確認

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

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

Fr+

Focus lens to MOTPt-oven & Y-target

Neutral Fr

Laser collimation 2D-MOT

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

9月中に Rb オフラインテスト開始

Fr+

Fr0

表面中性化方式

将来的には…

熱シールド兼イオン閉じ込め電極 (+1V)

イオン化器 (Pt 1300oC; GND)

中性化器 (Y 1300oC; -300V)

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

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

Rb+ イオン収量 最大 ~500enA

Rb オフラインテストに向けて

Pt-oven & Y-target

Rb

CEM

Filament

Rb ampule

Focus lens

Rb+

ViewerF.C.

Mo target (~1000oC)

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

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

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

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

Backup

Fr の a崩壊エネルギースペクトル

Fr 生成収量の 1 次ビーム強度依存

•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 )

Fr 生成実験結果

国際的な状況

・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

Fr 収量 1 次ビーム

CYRIC ( 日本 ) 1.4x106 /s 18O (0.2euA, 100MeV)

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

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

LNL ( イタリア )> 0.7~2x106 /s 18O (1.0euA, 100MeV)

ビーム強度 [enA]

Fr生

成収

量[任

意単

位]

0 100 2000

500

1000

Fr 生成実験結果

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

EdF

BF

h FrFr11

EdFhEE Fr21

測定感度

TNEKd

111

2

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

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%)

EdF

BF

h FrFr11

EdFhEE Fr21

209Fr の場合 F=5 なので

Hz 109.67kV/cm 100cm10152121 7-25

Fr eh

EdFh

E=100kV/cm, dFr=1x10-25ecm とする .

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 nGauss36.01Hz100 B

FhB

必要な磁場精度の見積もり

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

Orthotropic source of thermal atoms

Z.-T. Lu et al., Phys.Rev.Lett.79(1997)994Efficient Collection of 221Fr into a Vapor cell Magnet-optical trap

光格子を用いた EDM 探索

E

Fr atom

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 B

rr IcU

30

2

23

0

sin/sin

cos/sin

sin

2

2

20

kz

ky

kxII

r

光格子のポテンシャル

2

532 nm

光 の強度

2

1

2

3

光格子により EDM 測定感度を 10倍向上

TNEKehd

111

2Sensitivity

スピンコヒーレンス時間～1000倍

MOTから光格子への移効率～ 0.1X

～

測定感度： 10倍向上

Atom beam

MOT

Optical lattice and Raman sideband cooling

σ+/σ- LaserTwo-photon Raman transition

Required conditions for < 10-28 e cm accuracy- Applied electric field : > 100 kV/cm

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

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

→ Achieved in many EDM search experiments.

→ Feasible with intense (107-8 Fr+/s) beam from the new ionizerand the efficient (~10 %) neutralization with the new neutralizer

→ Feasible with a magnetic shield with >106 shielding factor (Now ~10uG /10 s with no magnetic shield and inactive cyclotron)

Atomic Fountain

MOT

Optical lattice

Fr beam

State preparation and analysis laser

Electric focusing triplets

ElectrodeStatic and active magnetic shield

or

Ramsey fringe

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

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

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

In the case of Cs fountain experiment.

H. Gould, web-page: http://homepage.mac.com/gould137/index.html

m-2 m-1 m

Fr eEDM Measurement Method

サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター破損状況

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。

加速器本体を支持する支柱が崩壊

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