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フランシウムEDM探索実験計画の現状

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（CYRIC）

東北大CYRIC：長野、伊藤、吉田、高橋、杉本

京大：村上、今井、高橋阪大RCNP：畑中、森信、永山

原子量最大のアルカリ原子：フランシウム（210Fr）を生成・冷却・トラップ

210Frの電気双極子モーメント（EDM）を高精度探索する技術を確立

電子EDM探索による基本対称性とその破れ

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Fundamental Interactions – Standard Model

StrongStrong

GravitationGravitation

??

MagnetismMagnetism

ElectricityElectricityMaxwell

Glashow,Salam, t'Hooft,

Veltman,WeinbergWeakWeak

ElectroElectro --MagnetismMagnetism

ElectroElectro --WeakWeakStandard ModelStandard Model

GrantGrandUnificationUnification

not yet known?not yet known? Physics outside Standard ModelPhysics outside Standard ModelSearches for New PhysicsSearches for New Physics

Physics within the Standard ModelPhysics within the Standard Model

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EDM and MSSM

M=500 GeV case Phase pattern

~ limit the SUSY particle mass

2

sin~

Mμθ

Small SM background (via CKM phase)

< 10-37 e・cm

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Physics motivation

素粒子の電気双極子モーメント（EDM）は標準模型を超える現象（超対称性）に敏感な観測量.

素粒子物理学の基本理論である「標準模型」を越える現象を探索

dr電気双極子モーメント

～電荷分布の非対称性超対称性が存在すると、大きなEDMを予測する．

素粒子物理現象を高精度に説明する理論「標準模型」

～宇宙における物質・反物質非対称性の理解.等 ：不十分 → requires extra CP-violation

クォーク

レプトン

スカラークォーク

スカラーレプトン

～ ～ ～

～ ～ ～

～ ～ ～

～ ～ ～

～ ～～ ～

超対称性

フェルミ粒子とボーズ粒子を

関係付ける対称性：相棒粒子の存在

既知の素粒子 超対称粒子

標準模型に新しい対称性（超対称性）をとりいれ、進化させた素粒子描像： 超対称模型.

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dn=Δu・du+Δd・dd+Δs・ds

Origin of EDMsT

heor

yExperiments

Hig

h en

ergy

N

ucle

ar

Ato

mic

Fundamental model ~ Supersymmetry, ….

QuarkEDM

QCD

Nucleonn

dn=Δu・du+Δd・dd+Δs・ds

Nuclear Atomic

QCD

Atomic theory

Nuclear theory

DiamagneticAtoms

Hg,Xe,Rn

Schiff Mom.

Z2(RN/RA)3

Molecular

Atomic theory

MoleculesPbO,YbF,TlF

Emol

Atomic theory

ParamagneticAtoms

Tl,Ce,FrZ3α2

QuarkChromo-EDM

ElectronEDM

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Electric Dipole Moment

de(Standard Model)<10-37

Status of EDM experiments

Current limit e-EDM : |de|<1.5×10-27

from E.D.Commins ,205Tl

A challenge is set ! de < 10-28 e・cm

if EDM is observed~ Beyond the Standard Model

if EDM is measured~ signal of supersymmetry …~ mechanism of SUSY violation

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EDM search

CP対称性破れの源となる位相（θμ等）や超対称粒子の質量（MSUSY等）

に制限をつけ、超対称性の破れの機構を探る．

電子EDM探索により超対称性の破れのメカニズムを解明する

Le~

γ

e e

Re~

bino

Le~

γ

e e

Re~

bino

超対称粒子（ 等）の伝播により電気双極子モーメントが生じる．RL ee ~,~

2

sin~

SUSYe M

d μθ

フランシウム（Fr）は相対論効果により電子EDMが1150倍増幅される．

Fredr

電子EDM：

eFr ddrr

×=1150

増幅度最大の原子：フランシウムのEDM

電子

超対称粒子

位相パラメータの相関図

MSUSY=500 GeV

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電気双極子モーメントによる才差運動の周期を測定

測定感度：

ここで K：EDMの増幅度、τ：コヒーレンス時間（スピン偏極を保持する時間）E：電場の大きさ、N：原子数、T：測定時間

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

TNEKd

⋅⋅⋅⋅⋅=

τδ 111

2hE↑↓

E↑↑

B

~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)

Experimental method

レーザー

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Production efficiencies

0.010.60.50.20.99Efficiency

4.28E+044.28E+052.3E+053.98E+051.98E+062.00E+060.2 puAIntensity

SUNY

0.210.60.950.60.990.1Efficiency

1.21E+075.76E+079.60E+071.01E+081.684E+081.701E+085.5 puA19F 55 puAIntensity

Phase3

0.030.60.950.60.990.1Efficiency

2.00E+061.73E+065.76E+079.60E+071.01E+081.684E+081.701E+085.5 puA19F 55 puAIntensity

GoalPhase2

0.030.60.950.60.99radiation limitEfficiency

6.09E+052.03E+073.38E+073.56E+075.94E+075.998E+076 puA18O 100 puAIntensity

Phase1

0.030.60.90.30.99radiation limitEfficiency

2.89E+059.62E+061.60E+071.78E+075.94E+075.998E+076 puA18O 100 puAIntensity

Exsiting technique

laser coolingextractionvacuumtransmissionextractionionizationFr productiontransmissionion sourceEfficiency

GoalMOTNeutralizerIon guide Surface IonizerTargetBeam lineAVFECREquioments

ECRIon source Accelerator Beam line Surface

Ionizer Ion guide Neutralizer MOTCell

Y(Atom in MOT/s)=Y0(produed in fusion reactoin)×εion・εext・εtrans・εvac・εneu・εMOT

Fr extraction Trap efficiencyPrimary beam

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

Fr from the decay of 225Ac

( shutdown )

→ Test at CYRIC and RCNP

→ focus to Atomic Physics

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EDM in Japan

CPT Models Particle Hadron Nuclear AtomCYRIC, RCNP

KM

Higgs

SUSY

LR, Strong CP…

de

dq

dqC

dn

dpara

ddiaQschiffNucleus

One may miss something essential by focusing on ONE EDM only!

Asahi G. @Tokyo Tech. : Xe…Takahashi G. @Kyoto : Yb

Masuda G. @J-PARC, RCNP

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原子核反応18Oビーム（~100 MeV）18O+197Au→210Fr+5n

オーブン型表面イオン化器によりフランシウム収量を増大レーザーを用いた冷却・トラップ技術により冷却原子を生成

磁気光学トラップ

表面イオン化器

レーザー

フランシウム

準備状況

ビーム金標的

ヒーター

オーブン

Fr

グレーティング半導体レーザー

外部共振器レーザー

ルビヂウムトラップ用レーザー開発外部共振器レーザー＋テーパーアンプ高出力光源（～１W）実現

磁気光学トラップ製作冷却原子生成技術の蓄積

外部共振器レーザー

テーパーアンプ

フランシウムトラップの準備春～製作完了、８月ビームテスト

トラップされたルビヂウム～φ2mm

ルビヂウムトラップ確認

実験装置の概観

オーブン型表面イオン化器Fr引き出し効率・生成収量～増大

エミッタンス小さいビームを実現

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フランシウム生成用表面イオン化器の開発～T.Nagano