[論文レビュー] Cooling antihydrogen ions for the free-fall experiment GBAR

L. Hilico, Jean‐Philippe Karr+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2014

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ひとこと要約

本論文は、GBAR自由落下重力実験のため、単一の反水素イオン（$\bar{\rm H}^+$）を超低温度（約10 μK）に冷却するための段階的実験プロトコルを提案する。線形RFトラップ内でのレーザー冷却$^9$Be$^+$イオンを用いた共役冷却に続き、ラマンサイドバンド冷却と断熱的トラップ剛性の低下を経て、この手法は約8 cm/sの速度分散を達成する。これは反物質の重力加速度を準拠精度で測定するのに十分である。

ABSTRACT

We discuss an experimental approach allowing to prepare antihydrogen atoms for the GBAR experiment. We study the feasibility of all necessary experimental steps: The capture of incoming $\bar{ m H}^+$ ions at keV energies in a deep linear RF trap, sympathetic cooling by laser cooled Be$^+$ ions, transfer to a miniaturized trap and Raman sideband cooling of an ion pair to the motional ground state, and further reducing the momentum of the wavepacket by adiabatic opening of the trap. For each step, we point out the experimental challenges and discuss the efficiency and characteristic times, showing that capture and cooling are possible within a few seconds.

研究の動機と目的

• 中性反水素原子の自由落下実験を用いて、重力加速度$\bar{g}$を高精度で測定すること。
• 元来約2.3×10⁶ Kの熱的速度分散を有する$\bar{\rm H}^+$イオンの初期速度分散を約1 m/sまで低減し、高精度な$\bar{g}$の決定を可能にすること。
• 極めて壊れやすく、レーザー冷却もバッファガス冷却もできない反物質イオンを冷却するという課題を克服すること。
• 共役冷却と断熱的拡張を用いて、keVエネルギーのイオンから量子基底状態に至る現実的で段階的な冷却手順を開発すること。

提案手法

• 20 eVのトラップ深さと25 eVの運動エネルギー分散を有する深さのある線形RFトラップに、keVエネルギーの$\bar{\rm H}^+$イオンを捕獲し、50%以上の捕獲効率を達成する。
• レーザー冷却された$^9$Be$^+$イオンクラスタを用いた共役ドーナルト冷却により$\bar{\rm H}^+$イオンを冷却し、9/2質量比を用いるか、HD$^+$イオンを第三種として導入することで冷却効率を向上させる。
• ドリル加工されたエンドキャップを通じたイオンビーム光学を介して、捕獲トラップから小型化された高精度トラップへの$^9$Be$^+$/\bar{\rm H}^+$イオン対の移行。
• トラップの調和的運動モード（2–8 MHz）を活用し、約1秒以内にイオン対を振動基底状態までラマンサイドバンド冷却する。
• 約500 msにわたり断熱的にトラップ剛性を低下させ、径方向および軸方向の振動周波数を約30 kHzに低下させ、速度分散を約8 cm/sまで低減する。
• 共役冷却段階における10,000個以上のイオンの冷却ダイナミクスをモデル化するため、GPU加速並列化を施した分子動力学シミュレーションを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 keVエネルギーの$\bar{\rm H}^+$イオンが、十分な深さとエネルギー分散を有する線形RFトラップに効率的に捕獲可能か。特に、その後の冷却が可能かどうか。
• RQ2 イオンが最初から共捕獲されていない状態でも、レーザー冷却された$^9$Be$^+$イオンによる$\bar{\rm H}^+$イオンの共役ドーナルト冷却が可能か。また、質量比が冷却効率に与える影響は。
• RQ3 $^9$Be$^+$/\bar{\rm H}^+$イオン対のラマンサイドバンド冷却が、実用的な時間枠（約1秒）内で基底状態に達成可能か。
• RQ4 断熱的トラップ剛性低下により、光剥離からの反動の限界を下回る速度分散をさらなる低減が可能か。これにより、$\bar{g}$測定の準拠精度が達成可能か。
• RQ5 加熱を最小限に抑えるために、単一の$\bar{\rm H}^+$イオンの搬送と冷却において、重要な実験的課題は何か。

主な発見

• 20 eVの深さの線形RFトラップにおいて、$\bar{\rm H}^+$イオンの捕獲効率は、運動エネルギー分散を25 eVに低減した場合に50%を超えるが、300 eVにまで上昇すると著しく低下する。これにより、ELENAからの反陽子の事前冷却が不可欠となる。
• 9/2質量比を用いるか、HD$^+$イオンを第三種として導入することで、$^9$Be$^+$イオンクラスタによる共役ドーナルト冷却が可能であり、冷却効率が顕著に向上する。
• $^9$Be$^+$/\bar{\rm H}^+$イオン対のラマンサイドバンド冷却は1秒未満で完了し、全6自由度の運動モードが基底状態に冷却される。
• 約500 msにわたり断熱的トラップ剛性を低下させることで、振動周波数を約30 kHzに低下させ、速度分散を約8 cm/sまで低減する。これはGBARの最終状態に必要な約1 m/sの要件を満たす。
• 光剥離からの反動（23 cm/s）が速度不確かさの主因となるのは、初期状態が約10 cm/s未満に冷却されていない場合に限る。したがって、断熱的冷却は最適な分解能を達成する上で不可欠である。
• 捕獲から基底状態冷却、断熱的拡張に至る全冷却プロセスは約1秒で完了し、$\bar{g}$測定に高いイベントレートを実現可能である。