Transcript L - 超冷中性子を用いた時間反転不変性の検証

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
nEDM measurements
with 129Xe (I = 1/2) comagnetometer
EDM cell
~0.5 nHz
n
νn = (2μnB ± 2dnE)/h
= ~29 Hz
νXe= (2μXeB ± 2dXeE)/h
B E+ E–
= ~12 Hz
129Xe
B = 1μT
E = 10 kV/cm
γ
dn– γ n
Xe
dXe
~10–28 e･cm
(νn/νXe)E+
(νn/νXe)E–
1
≒1+4
hνXe
γXe
γn
~10–11
dmeasE
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
Design of 129Xe comagnetomter
129Xe
129Xe
two-photon co-magnetometer
natural abundance 26.4 %
Larmor angular frequency
nuclear spin I =1/2
hyperfine structure
Doppler free spectrum at 823.4 nm
895.5 nm
823.4 nm
823.4 nm
2 GHz
<5 ns
2 GHz
252.5 nm x 2
two-photon
selection
X
(circularly
polarized)
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.
dark state
Line width
5p6(1S0): g.s. → 5p5(2P3/2)6p[3/2]
Natural width
2hν = 9.821 eV, λ = 252.49 nm
τ = a few ns
δνnat ~ 2πτ = ~0.1 GHz
Doppler
broadening
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
Pressure
broadening
δνpressure = (28.8 ± 2.6) MHz/Torr (FWHM)
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 22 (1989) L241
@~1 mTorr
δνpressure = ~0.03 MHz
δνtotal = ~1.3 GHz (FWHM)
Transition rate
Two photon excitation spectrum
①
5p56p(J=0) ← 5p6
249.6 nm
②
5p56p(J=2) ← 5p6
252.5 nm
・We use ②.
・transition rates are nearly the same
for ① and ②.
Transition rate:
[Phys. Rev. A24 (1981) 3115]
W = a I2 G(ω) = 1.9 × 102 I2/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
Excitation of Xe & Detection of decay photons
Excitation
Production rate of Xe*：PXe*
transition rate : W(I(r)) = 1.9 × 102 [I(r)]2/ΔL
beam intensity : I(r) = EL (1/2πσL2) exp(–r2/2σL2)
(gaussian distribution)
PXe* = nXe L ∫ 0 2πr W(I(r)) dr
∞
= 1.5 × 103 nXe L (EL/σL)2 ΔL–1 floss
(s–1)
nXe
: Xe number density (cm–3)
σL
: gaussian beam distribution width (mm)
L
: active length (cm)
ΔL
: laser band width (rad/s)
EL
: laser power (W)
floss
: beam loss factor
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]
ratio of photon emission：rIR ~1/τXe/(1/τXe + ΓI)
detection efficiency
：εIR
Counting rate：YIR
YIR = εIR rIR PXe*
(s–1)
Estimation of IR photon yield
Pulse laser
CW laser
laser power: EL
1 mJ/pulse
300 mW
pulse width, cycle
5 ns, 10 Hz
–
beam distr. width: σL
0.02 mm (0.05 mm FWHM)
Laser band width: ΔL/2π
1 GHz
Beam loss factor: floss
0.4
Xe number density: nXe
1 x 1014 cm–3 @3 mTorr
active length: L
25 cm
production rate of Xe*: PXe*
1.7 x 1011 pulse–1
1 x 10–3
IR detection efficiency: εIR
ionization rate of Xe*: ΓI
2 x 1010 s–1
1.5 x 108 s–1
lifetime of Xe*: τXe*
2.4 x 102 s–1
3 ns
ratio of IR emission: rIR
0.7
1
IR Counting rate: YIR
1.2 x 107 pulse–1
8 x 107 s–1
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 〜10–27 ecm レベルまで到達
まとめ
•
129Xe核スピン磁束計実現に向けて、
２ photon 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 〜10–27 ecm まで到達可能であると予想で
きる。
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？
→ ｘ~103倍。
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。
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.)
Design of VUV(252.5 nm) CW laser
Wada, Saito, Shinozaki
Yb doped
Fiber laser
1010 nm
Second harmonics
Generation
(SHG)
~2W
505 nm
~0.5W
Cabity ＋
CLBO
(SHG)
252.5 nm
Green laser
Finer laer
＋
SHG
Megaopt co. ltd
http://www.megaopto.co.jp/
・efficient
・long lifetime
・stable
・AC100V
・variable λ by temp.
・0.5W → 10M JPY？
252.5 nm
~0.1 W
∆ν < 1 GHz
・CLBO (CsLiB6O10)
several tens kJPY／year
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。
参考資料「ファイバーレーザー」
http://www.laserx.co.jp/technology/sm_fbl/part2.html
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。
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
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
Larmor precession time TL = 2π/ω0 ~40 ms
dfXe = ~0.9 x 10–28 ecm
cf. dfHg = ~5 x 10–26 ecm
B0 = 2 µT
∂B0z/∂z = 2 nT/m
R = 0.25 m
vxy = 240 m/s@300K
λ = 0.7 mm