核スピンメーザーを用いた129Xe 原子 EDM の探索

研究会”Fundamental Physics using atoms”@ 東北大CYRIC, 2008/8/18-19

吉見 彰洋

独立行政法人 理化学研究所仁科加速器研究センター 原子核物理部門

実験装置開発グループ 偏極RIビーム生成装置開発チーム

Collaborator ==============================旭 耕一郎、 内田 誠井上 壮志、畠山 直人、各務 惣太（東工大）

研究の背景 - 標準模型への疑問 -

● 実験からしか決まらないパラメータが多い

クォーク、レプトンの、ゲージボソンの質量

基本相互作用の結合定数CKM行列の混合角

● 階層性の問題

標準模型の記述スケール : 100 GeV↕

根源理論の自然なスケール(Plank scale): 1019 GeV

● 重力を扱っていない

超弦理論？

● 粒子・反粒子の非対称性を説明できない

20個

電気双極子モーメント（EDM）

+++

- - -

+++

- - -

d ≠ 0 T-violation CP-violation

CPT theorem

Standard Model (SM) : Predicted EDM is about 105 smaller thanthe present experimental upper limit

Beyond the SM : Detectable EDM

ゼロでない EDM の検出 標準模型では説明できないCP 非保存

Time: t -tSpin: s -sEDM: d d

スピンに付随するゼロでない EDM → 時間反転対称性の破れの直接的証拠

EDMと標準模型を超える物理

fL fR

E

W W

f’fL fLe+iδ e -iδ

E

標準模型

超対称性模型

Lie φ+ Rie φ−

f~ f~

標準理論を拡張した模型ではCP非保存の位相の種類が増える → 大きい EDM

● CKM行列の複素位相： δ高次のループの寄与のみ

dn = 10‐33 ∼ 10‐30 ecm

● QCD vacuum angle

cm10 16n ed θ−≈

One‐loop level での EDM への寄与がある

γ~

様々な系でのEDM

中性子EDM

反磁性 原子EDM ….. 129Xe, 199Hg, Ra, Rn

常磁性原子 EDM ….Rb, 133Cs, 205Tl, Fr

Orbital electron: j=0

EDM in nucleus

EDM of “bare” nucleon

原子核の EDM

電子のEDM

Electron EDM

T‐violating interaction in nuclei

Schiff moment

Atomic EDM

Electron EDM

Enhancement

Atomic EDM

Quark EDM or Chromo EDM

Neutron EDM

+++

+++

原子EDM

中性子

原子

Schiff の定理

複合系の各粒子がEDM を持っている場合でも、個々のEDMは検出されない（全て点状粒子、相互作用が静電的、非相対論的な場合）

Eext

Eext + Eint = 0

Eext

extEd ⋅

( ) 0intext =+⋅ EEdEint

反磁性原子の原子EDM ‐ Schiff モーメント -

( ) ( ) ( ) rrR

rdrrR

rR 33 1 dZ

de

ii

ii ∫∫ −∇⋅+−=

ρρφ

軌道電子で遮蔽された核の静電 potential

電子雲による遮蔽の効果

( ) ( )I

SrdrZ

rdreS Irdrr =

−= ∫ ∫ 3232

135

101 ρρ ( ) ( )∫

++−= rdrrrrrrreO ijkikjjkikjiijk

32

51 δδδρ r

( ) ( ) ( )

( ) ( )R

QZeR

O

rdrrRZR

rdrrre

jiijkjiijk

jijikjikji

12111

614

1211

61

3

33oddPT

∇∇∇⋅+∇∇∇−∇⋅=

∇∇∇⋅+∇∇∇−= ∫ ∫−

dRS

rdr

δπ

ρρϕ

Octupole potential (rank 3)Schiff potential (rank 1)

J.S.M. Ginges, V.V. Flambaum, Phys. Rep. 397 (2004) 63V. A. Dzuba et al., PRA 66, 012111 (2002)

Schiff moment

多重極展開

Electric octupole moment

SRd AA =

ξNRS =

( )udF ddmfmg

G ~~3

2ππ

20πpp1 −= −ξ

CP 対称性を破る核子核子相互作用パラメータ

Atomic EDM is induced by the nuclear Schiff moment S

Schiff moment is induced by CP‐odd nuclear force

CP‐odd pion exchange is dominated by chromo‐EDM of quarks

( ) cmfm/100.4)Hg( 317 eeSd −×=( ) cmfm/107.2)Xe( 318 eeSd −×=

(T. Falk et al., hep‐ph/9904393)

反磁性原子の原子EDM

129Xe EDM experiment in USA Gr.

cm10)1.13.0( 26 ed −×±−=

cm10)3.37.0( 27 ed −×±=

( )0112954 S5Xe

1984. Vold et. Al., Phys. Rev. Lett. 52 (1984) 2229.Repetation of observing the decaying precession signal.

2001. Rosenberry and Chupp, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 22.Operation of continuous spin maser oscillationin double species (129Xe and 3He).

EEE

precB

light pipe

laser

λ/4

Lock in 0Lock in 1Lock in 2

PC

199Hg EDM experiment in USA Gr.

1987. Lamoreaux et. al., Phys. Rev. Lett. 59 (1987) 2275.

:

1995. Jacobs et. Al., Phys. Rev. A 52 (1995) 3521.

2001. Romalis et. al., Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 2505.

Now… minor improvements.

Washington univ. Gr.

cm10)5.17.0( 26 ed −×±=

cm10)6.30.1( 28 ed −×±−=

cm10)49.006.1( 28 ed −×±−=

cm10 28 ed −≈

( )0119980 S6Hg

T. Falk et al., hep‐ph/9904393

M=250GeV M=500GeV

Experimental upper limit from different elements

In the MSSM (Minimal Super Symmetric Model)

New CP violating phases θA, θµ are naturally considered to be O(1) ……

M: Energy scale ofSUSY breaking

EDM の上限値から…

Expected frequency shift

x

z

y

B +E

ω+ t

B=1 G, E=+10 kV/cm

B=1 G, E=－10 kV/cm

Assuming d = 10-28 ecm

Hz)1084.41019.1( 103 −+ ×−×−=ν Hz)1084.41019.1(103 −

− ×+×−=ν

Hz101 9−×=∆ν

B +E

B -E

A difference of 1 cycle in109 sec.

⇓31years 259days 2hours

n cycle

n+1 cycle

x

z

y

−E

ω− t

B

EDM実験に必要な事項

● スピンの方向を揃える

スピン偏極の生成

● 長時間のスピン歳差

スピン緩和の抑制・長いコヒーレンス時間

● 原子の数密度

高偏極、低緩和状態で多数の原子

● 高い電場

漏電流を抑えながら大きな電場

ττδ

/1NTPE

d ∝P : PolarizationN : Number of particlesT : Measurements Timeτ : Spin Coherence TimeE : Electric Field

129Xe の特徴

● 高い偏極度Spin exchange with optical pumped Rb atomP > 10 % for Xe atomic density of 1018 /cm3

● 大きい原子数高数密度：~1018 – 1019 atom/cm-3

● 長いコヒーレンス時間No chemical interactionNo quadrupole interaction of nucleus ( I=1/2 )

129Xe

Rb

Continuous spin maser technique

Free precession

Time

Tran

sver

se sp

in

‘Spin maser’ state

Time

Tran

sver

se sp

in

スピン偏極の生成・維持１

21

−=sm 21

+=sm

2/1P5

2/1S5

W. Happer, Rev. Mod. Phys. 44 (1972) 169.光ポンピングによる Rb 原子スピンの偏極

D1 吸収線： 794.7 nm

希ガス原子と Rb 原子との２体衝突３体衝突を通じた van der Waals 分子の形成

Rb 原子から希ガス原子核へのスピン偏極移行

超微細相互作用を通じた偏極移行

円偏光による選択的な励起

スピン偏極の生成・維持２

Pyrex 製のガラスセル

洗浄 → baking → Coating → Rb 詰め → ガス詰め → 封じ切り

シリコン系コーティング剤 SurfaSil

→ Xe スピン緩和を抑制するのに効果的 Rbsese

Xe PΓP

+=

γγ

スピン偏極の生成・維持３

緩和時間のセル温度依存性

ΓW = 9.5×10‐4 /s TW = 1050 s

P = 40 – 70 % @ 200torr (1018 /cm3)

スピン偏極の生成・維持４

セル内壁のコーティングによる効果

SurfaSil

+ + · · · · +

1. Accumulation of decaying precession

2. Continuous spin precession

totalfinal

111TTnn

ind ===δνδν

2/3tatal

final1

TTtotal==

δφδν

T T T

TotalT

長時間のスピン歳差

Spin MASER

Polarization vector : M

Feedback field : Bfb

B0

Feedback torque

Relaxation, pumping

T2 relaxation

Polarization’s growing(pumping effect)

Feedback torque

pump Feedbacksystem

Zeeman level

Transverse magnetic field - synchronism with spin precession -Phase : perpendicular to the transverse polarizationAmplitude : proportional to the transverse polarization

Population inversion

Feedback EM-field synchronism with emitted photon

Polarization

Inducedcurrent

C

B0L

I ∝ nPQ

BFB

Pumping light LCB 10 =γ

Nuclear Spin Maser (spin-coil coupling)

( )

( )

( ) ( )

02

02

01

d,

d d

,d d

.d

x xy z y

y yz x x

z zx y y x z

P PP B P B

t TP P

P B P Bt T

P PP B P B P P G

t T

γ

γ

γ

= − −

= − −

= − − + −

● 129Xe polarization vector P = 〈S〉/S

● Static field B0 = (0, 0, B0)

● Oscillating field B⊥ = (Bx, By, 0)

P follows the Bloch equations:

relaxation term

Pumping term

( ) ( )

( ) ( )x y

y x

B t P t

B t P t

∝

∝ −

M.G. Richards, JPB 21 (1988) 665: 3He spin maserT. Chupp et al., PRL 72 (1994) 2363: 129Xe spin maser

20

2 1][21

TPnIQ >0 hηµγ

Continuous oscillation through the feedback system

Low magnetic field B0 ( < 0.1 G ):⇒ low field fluctuation⇒ introduce of high‐precision magnetometer

B0 < 0.1 G ν0 < 100 Hz

⇒ spin precession : optical detection

B0 ∼ mG

Probe laserbeam

Pumping laser beam Lock‐in detection

Phase shifter

Photo diode

Feedback coil

Nuclear spin

Detection of Xe spin direction ( with probe laser)

PLA 304 (2002) 13. A. Yoshimi et al.

Producing a transverse magnetic field(delayed by 90˚ in phaseto precession signal)

Nuclear spin maser at low frequency ( low B0-field )

Rb

Xe

Xe XeRbXe

Xe

Xe

Transverse-polarization transfer : Rb atom Xe nuclei (re-polarization)

RbXe ( ) RbsdRbXeseRb PPPdt

dPΓ−−= γ [ ]( ) RbsdRbXeXe' PPP Γ−−= γ

γ’[Xe] = 7 × 103 /s, Γsd = 0.2 /s

0.3 ms

PRb

(ms)0 0.4 0.8

Time constant of spin transfer: 10-4 s

Precession frequency of < kHz

Probe laser beam : single mode diode laser (794.7nm)

After half-period precession

Circular polarization(modulated by PEM)

Optical detection of nuclear spin precession

Enriched 129Xe : 230 torrRb : ~ 1 mg

18 mm

Xe gas cell

Pyrex spherical grass cellSurfaSil coated

Magnetic shield (3 layers )ParmalloySize : l = 100 cm, d = 36, 42, 48 cmShielding factor : S = 103

Pumping LASER

Tunable diode laserλ = 794.7 nm ( Rb D1 line ), ∆λ = 3 nmOutput: 18 W

Probe LASER

Tunable diode laser with external cavityλ = 794.7 nm ( Rb D1 line ), line width 1MHzOutput: 50 mW

Solenoid coil (for static field)B0 = 28.3 mG ( I = 3.58 mA)

PEM

Mod. Freq. 50 kHz

Si photo diodeFreq. band width: 0 – 500 kHzNEP: 8×10-13 W/Hz

HeaterTcell = 60 ~ 70 ℃

Experimental apparatus

129Xe free precession signal (FID signal)

Static magnetic field： B0 = 28.3 mG (ν(Xe)=33.5 Hz)90°RF pulse（ 33.5 Hz , ∆t = 3.0 ms, B1 = 70 mG )Transverse relaxation： T2 = 350 s ；

0 100 200 300 400 500 600Time (s)

0.0

0.2

-0.2

100 110 120

Sign

al (

mV

)

0.16

-0.16

0.00Frequency:

Hz23.0refprecbeat =−= ννν

T2 ≈ 350 s

スピンメーザー発振シグナル

0 20000 40000 60000 80000

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000 60020 60040

0.8

0.4

0.0

-0.4

-0.8

Sig

nal (

V)

Time (s)

transient steady-state oscillation

-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

0.00.10.2

-0.2-0.1

B0 = 30.6 mG ν0 = 36.0 Hz

Various transients depending on the feedback strength

0 1000 2000 3000 4000

0 1000 2000 3000 4000

0 1000 2000 3000 4000

0 1000 2000 3000 4000

0.0

0.2

-0.2

0.0

0.2

-0.2

0.0

0.2

-0.2

0.0

0.2

-0.2

Sign

al (

mV

)Si

gnal

(m

V)

Sign

al (

mV

)Si

gnal

(m

V)

Time (s)

10 µG/0.1mV

4 µG/0.1mV

14 µG/0.1mV

28 µG/0.1mV

Feedback Gain

スピンメーザー周波数解析 ‐ 周波数決定精度 v.s 測定時間 -

測定時間 τ を変えて周波数決定精度を調べる

10‐5

10‐6

10‐7

10‐8

10‐9

周波

数決

定精

度(H

z)

102 103 104 105測定時間 (s)

2/3−∝τδν

1−∝τδν

9 nHz @ 3x104 s

5000 s ごとの maser 周波数変動

σAllan = 29 μHz123.0

123.1

122.9

123.2

123.3

1 2 3 4 5Run#

Mas

er b

eat f

requ

ency

(mH

z)

開発段階 ‐ 高感度磁力計の開発-

Rb 原子中での非線形磁気光学効果

高感度な磁力計の可能性

kLinear polarized light

Alkali vapor(Rb)

Faraday rotationB

1×104 rad/G, 4×10-12 G/√Hz (B < 0.1G)02 221

2

ll

Bg

Bg

zBF

zBF

+

=

γµ

γµ

ϕ回転角：

( ) ( ) 000

0 221

γµωωγπχω

iBgn

zBF +−+≈±

m

左右円偏光の分散公式

● 極低磁場において● 狭い線幅の実現が可能

B∝ϕ

D. Budker et al.,PRA 62 (2000) 043403.

Yu.P. Malakyan et al.,PRA 69 (2004) 013817.

ΩM=1 kHz→ B=0.7 mG で狭い共鳴

非線形光学回転 変調による地磁気領域での動作

開発目標：● 原子 alignment を保つセルの製作● メーザー動作の磁場領域での高感度測定● 長時間での安定性● メーザーセルとの共存

D. Budker et al., Rev.Mod.Phys. 74 (2002) 1153.

Laser stabilization system

Probe laserLinierpolarizer 2λ

Photodiode

Photo elasticmodulator

Linierpolarizer

PEM driverRef. in100 kHz

Sig. in

Lock‐in regulator

Photodiode

Shield

cell

Ref. cell

Laser control

Feedback modulation

Fabry Perot interferometer

Lock‐in AmpAC

Solenoid

-1 .0 0.0 1.0

磁場 (G)

回転

角度

(mra

d)0.04

‐0.04

0.00

Expected sensitivity for EDM experiment

cm1010)Xe( 3029 ed −−=

Installation of atomic magnetometer into low frequency spin maser

sensitivity : 10-11 ∼10-12 G/√Hz⇓

δB ∼10-13 G ( δν(Xe) ∼ 0.1 nHz )

Main source of frequency noise

interaction with Rb atomic spins (109/cc)P(Rb) ∼ 0.01 % ( re-polarization from Xe )

⇓∆ν(Xe) ∼ 0.2 nHz (δT ∼ 0.01˚C)

∼

Conceptual setup

Probe light(Magnetometer)

(E=10kV/cm)