[論文レビュー] First Measurement of the Atomic Electric Dipole Moment of $^{225}$Ra

Richard H. Parker, Matthew R. Dietrich+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2015

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、光学ダイポールトラップ内でレーザー冷却された原子を用いて、$^{225}$Raの原子電気双極子モーメント（EDM）の最初の直接測定を報告している。95%信頼水準における上限は $|d({}^{225}\text{Ra})| < 5.0 \times 10^{-22}~e\cdot\text{cm}$ である。実験は、$^{225}$Raの八重極歪みを示す原子核と、時間対称性およびパリティ対称性の破れを示す相互作用に対して高い感度を有することを活用し、重い反強磁性原子におけるEDM探索の新しい基準を確立した。

ABSTRACT

The radioactive radium-225 ($^{225}$Ra) atom is a favorable case to search for a permanent electric dipole moment (EDM). Due to its strong nuclear octupole deformation and large atomic mass, $^{225}$Ra is particularly sensitive to interactions in the nuclear medium that violate both time-reversal symmetry and parity. We have developed a cold-atom technique to study the spin precession of $^{225}$Ra atoms held in an optical dipole trap, and demonstrated the principle of this method by completing the first measurement of its atomic EDM, reaching an upper limit of $|$$d$($^{225}$Ra)$|$ $

研究の動機と目的

• 重く反強磁性の性質を持つ、強く八重極歪みを示す原子核を有する$^{225}$Raの原子電気双極子モーメント（EDM）を測定し、標準模型を超える新しい物理を探る。
• $^{225}$RaのEDMが、その特異な原子核構造のおかげで$^{199}$Hgに比べ2〜3桁大きな感度を示すという理論的予測を実験的に検証する。
• 高感度EDM測定に適した、光学ダイポールトラップ内にレーザー冷却された$^{225}$Ra原子を用いる手法の実現可能性を示す。
• 八重極歪みを示す原子におけるEDMの新しい実験的上限を設定し、時間対称性およびパリティ対称性の破れを示す新しい物理に感度を高める。
• 主要な系統的効果を同定し、将来の感度向上に向けた最適化の道筋を示すことで、今後の実験の基盤を築く。

提案手法

• 長時間のスピン進化時間を達成するため、定常波光学ダイポールトラップ（ODT）内で$^{225}$Ra原子をレーザー冷却・捕獲する。
• スピン進化周波数$\omega_{\pm}$を、電場（E）および磁場（B）を印加した状態で測定し、$\hbar\omega_{\pm} = 2\mu B \pm 2dE$という関係を用いる。ここで$d$はEDMを表す。
• 化学的分離により$^{229}$Thから得た3 mCiおよび6 mCiの$^{225}$Ra源を用い、数日間にわたりトラップへの注入を実施する。
• 平行、反平行、およびオフの3段階のE場サイクルを導入し、線形および二次的なE場応答を測定し、系統的効果を制約する。
• STIRAP（励起ラマン断熱遷移）を用いて、1つのスピン状態を長寿命の3D1状態に遷移させ、スピン状態の測定ではなく原子数の高感度検出を可能にする。
• 青色のプローブビームを用いたシャドウイメージングによる検出を実施し、現在は光子ノイズが信号対雑音比を制限している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $^{225}$Raの原子電気双極子モーメントの大きさは何か？ そして、現在の実験の感度閾値を超えるか？
• RQ2 時間対称性およびパリティ対称性の破れを示す相互作用に対して、$^{225}$Raが示す高い感度が、スピン進化測定によって実際に実現可能か？
• RQ3 光学ダイポールトラップを用いたEDM測定における主な系統的効果は何か？ そして、将来的な感度向上に必要なレベルまで抑制可能か？
• RQ4 その特異な原子核構造を考慮すると、$^{225}$RaのEDM感度は$^{199}$Hgや他のEDMプローブと比べてどの程度か？
• RQ5 将来の$^{225}$RaEDM実験で、統計的感度$10^{-28}~e\cdot\text{cm}$を達成するために必要な実験的アップグレードは何か？

主な発見

• 本研究は、光学ダイポールトラップ内にレーザー冷却された原子を用いて、$^{225}$Raの原子EDMの最初の測定を達成し、EDM探索技術における重要なマイルストーンを記録した。
• 測定されたEDMは$d({}^{225}\text{Ra}) = -(0.5 \pm 2.5_{\text{stat}} \pm 0.2_{\text{syst}}) \times 10^{-22}~e\cdot\text{cm}$であり、95%信頼水準における上限は$|d({}^{225}\text{Ra})| < 5.0 \times 10^{-22}~e\cdot\text{cm}$である。
• スピン進化位相の二次的E場依存性は、3 mCi実験では$2 \times 10^{-23}~e\cdot\text{cm}$未満、6 mCi実験では$5 \times 10^{-24}~e\cdot\text{cm}$未満に制限され、この感度レベルでは系統的効果が無視できるほど小さいことが示された。
• 理論的解析により、$^{225}$RaのEDMは、八重極歪みと近接したパリティデュアレットの存在のおかげで、$^{199}$Hgに比べ2〜3桁大きな予測値を示すとされている。
• STIRAPを用いた検出法とより強力なレーザー冷却の導入により、EDM感度は20倍向上可能であり、$10^6$原子と100秒のスピン進化時間で100日間の測定により、統計的感度$10^{-28}~e\cdot\text{cm}$を達成できると予想される。
• 225RaのEDM上限を$10^{-25}~e\cdot\text{cm}$のレベルにまで向上させれば、特定のTおよびP対称性の破れを示す電子-原子核相互作用に対する制約が、少なくとも1桁以上強化される。