[論文レビュー] TRI mu P - A new facility to investigate fundamental interactions with optically trapped radioactive atoms

K. Jungmann|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2002

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 10

ひとこと要約

TRIµP は、KVI グローニンゲンに設置された新規施設であり、放射性同位体を生成・減速・捕獲し、基本的対称性の高精度な研究を目的としている。重イオンビームを用いた逆運動学および直接運動学的フラグメンテーションに続く、併用型フラグメンテーションおよび反跳分離器を用いることで、核のベータ崩壊相関の高精度測定および恒久的電気双極子モーメントの探索が可能となり、高エネルギー物理学とは補完的な手法を提供し、標準模型を超える新しい物理現象の解明に貢献する可能性を秘めている。

ABSTRACT

At the Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen, NL, a new facility (TRI$\mu$P) is under development. It aims for producing, slowing down and trapping of radioactive isotopes in order to perform accurate measurements on fundamental symmetries and interactions. A spectrum of radioactive nuclids will be produced in direct, inverse kinematics of fragmentation reactions using heavy ion beams from the superconducting AGOR cyclotron. The research programme pursued by the KVI group includes precision studies of nuclear $\beta$-decays through $\beta$--neutrino (recoil nucleus) momentum correlations in weak decays and searches for permanent electric dipole moments in heavy atomic systems. This offers a large potential for discovering new physics or to limit parameters in models beyond standard theory significantly. The scientific approach chosen in TRI$\mu$P can be regarded as complementary to such high energy physics. The facility in Groningen will be open for use by the worldwide community of scientists.

研究の動機と目的

• 捕獲された放射性原子を用いた高精度な測定を通じて、基本的対称性および相互作用を調査すること。
• 核のベータ崩壊におけるずれや恒久的電気双極子モーメントの探索を通じて、標準模型を超える新しい物理現象を検出すること。
• 原子・核物理学および素粒子物理学の実験を対象とする、国際的な科学コミュニティが利用可能なユーザ施設を提供すること。
• ナトリウム同位体（20Na や 21Na）を用いた高精度分光法により、弱い相互作用におけるパリティの破れを調査すること。
• 冷却され、スピン極化されたベータ崩壊体を用いた表面科学およびベータ核磁気共鳴（β-NMR）の今後の応用を可能とすること。

提案手法

• 放射性同位体は、超伝導 AGOR サイクロトロンから供給される重イオンビームを用いた直接的または逆運動学的フラグメンテーション反応により生成される。
• 磁気双極子と四極子の組み合わせを用いた併用型フラグメンテーションおよび反跳分離器により、質量と運動量に基づいてイオンを選別・集束し、ガス充填部を用いてイオンの酸化状態を制御する。
• イオンはガスモダレーターで減速され、ラジオ周波数パウルトラップ内でのバッファガスを介した冷却により、径方向の閉じ込めとビームバッチ化が実現される。
• 中性化された原子は、その後、磁気光的トラップ（MOT）に捕獲され、光学的制御および高精度分光測定が可能となる。
• ベータ崩壊における高精度な運動量および角度相関測定を用いて、非V-A相互作用に感受する係数 D などの抽出が行われる。
• 電気双極子モーメントの探索では、ラジウムのような高い極性を持つ原子を対象とし、内部電場を大きくし、励起状態での感受度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子およびニュートリノの運動量相関の高精度測定を通じて、ベータ崩壊における非V-A相互作用を検出できるか？
• RQ2 原子における恒久的電気双極子モーメントの上限は何か？ そして、それらは標準模型を超える新しい物理モデルを制限するのにどのように寄与するか？
• RQ3 フランシウムのような短寿命同位体に対する高精度測定を通じて、原子構造計算はどの程度向上できるか？
• RQ4 捕獲された放射性原子は、表面科学およびβ-NMRの分野でどのような新しい応用を可能にするか？
• RQ5 アルカリ金属および alkaline-earth 系統において、特に弱い相互作用におけるパリティの破れ効果に対する TRIµP の感度はどの程度か？

主な発見

• TRIµP 施設は、ベータ崩壊の運動量相関を 0.1% 未満の精度で測定できるように設計されており、非V-A相互作用の検出が可能となる。
• 施設は、電気双極子モーメントの感度を 10−27 e·cm のレベルまで達成すると予想されており、現在の実験的感度の限界に近づく。
• 20Na および 21Na の光学的トラップは実現可能であり、20Na は核スピンおよび崩壊特性が良好なため特に適している。
• 励起状態にあるラジウム同位体は、Hg 原子と比較して、電気双極子モーメント感受度を数個のオーダー向上させると予測されている。
• 施設は、フランシウム同位体における弱い相互作用効果の最初の高精度測定を可能とすると予想されており、セシウムに比べて18倍感受度が高い。
• TRIµP のセットアップは、最初のメタ安定ネオン原子の光学的トラップを可能とし、軽い同位体における高精度研究の新たな道を開く。