Stark Spectroscopy for Studyingthe Parity Nonconservation

in Atomic Samarium

サマリウム原子における

パリティ非保存研究のためのシュタルク分光

福見 敦 （広島大学）

（現所属：放医研/原研）

1. 序 論

+

原子パリティ非保存 (Parity Nonconservation in Atoms)原子パリティ非保存 (Parity Nonconservation in Atoms)

核子電子

γe-光子

電磁相互作用

核子電子

Z0e-Zボソン

弱中性カレント相互作用

IL IR

IL ≠ IRIL ≠ IR右手系と左手系で遷移強度に非対称性！

核子－電子間に働く弱い相互作用により、原子の光学遷移に非対称性が生じる

標準理論を超える新しい物理の探索標準理論を超える新しい物理の探索

Peskin-Takeuchi の S, Tパラメータ

輻射補正項に現れる素粒子の標準理論を超える新しい物理の寄与

物理量 理論値

QW(133Cs) -73.19-0.800S -0.007TQW(205Tl) -116.8-1.17S -0.06T

MW (GeV/c2) 80.385-0.29S +0.45T

ΓZ→ll (MeV) 84.011-0.18S +0.78T

PNC実験で得られるQWはS パラメータにsensitive

高エネルギー実験で得られる物理量

S , T でパラメトライズ

新しい物理に対して、加速器実験で得られる結果と相補的に制限を与えることができる

新しい物理に対して、加速器実験で得られる結果と相補的に制限を与えることができる

S ≠ 0 or T ≠ 0 ⇒ 新しい物理isospin-conserving & -breaking

J. L. Rosner, hep-ph/0109239Phys. Rev. D 65, 073026 (2002)

S Twith PNC data 0.01±0.15 0.00±0.15w/o PNC data 0.02±0.15 0.01±0.15

QW(Cs) =-72.06±0.28exp±0.34theo 最も精度の高いPNC実験=-72.06±0.46 (JILA-Boulder group)

mt=174±5.1 GeV

S,Tパラメータによる標準理論のテスト

AverageQW(Cs) =-72.2±0.8

原子パリティ非保存実験 Optical rotation法原子パリティ非保存実験 Optical rotation法

レーザー

直線偏光

蒸気セル（原子の蒸気を封入したガラス管）

偏光面が回転

直線偏光のレーザーを蒸気セルに入射直線偏光＝円偏光の右巻きと左巻きが 1 : 1パリティの破れにより円偏光の右巻きと左巻きで吸収率が異なる

偏光面の回転角からQWを導出

回転角 ~10-7 rad sensitivityが低い!!

初期の原子パリティ非保存実験

原子パリティ非保存実験原子パリティ非保存実験エネルギー

Even Odd

M1±

E1PNCE1

パリティ混合

3E1M1 10~ −AA

電磁相互作用による遷移放射

パリティの破れによる混合

12121

221,2

±=Δ

±=E

HPNC δPNC

2 1

0

電気双極子(E1)遷移

磁気双極子(M1)遷移

01 E1E1 =A02 M1M1 =A

01 E1E1 =A

…

同パリティ準位間にE1が誘起

PNC誘起E1遷移を

直接測定するのは困難！

3準位系での光学遷移

98PNCE1PNC

PNCPNC

1010~,

E1−− −=

=

δδ A

A 02

遷移振幅比

静電場 を印加静電場 を印加

310~ −×Starkδ

65PNC 101012 −−

−+

−+ −×∝∝+−

=StarkII

IIP

δδ

112

121

121

221,21,2

+±=

Δ+

Δ+=

EH

EH StarkPNC

L+±=

+±=±

)Re(2 *PNC

2

2PNC1M

AAA

AAAI

StarkStark

Stark

E1E1 AA StarkStarkStark δ== 02

±:手系の反転

δ PNC δ Stark

Stark効果による混合

同パリティ準位間遷移

Stark干渉法Stark干渉法エネル

ギー

Even Odd

M1±

E1PNC+

E1Stark

E1

パリティ混合2

0

3準位系での光学遷移

1

⇒ 弱電荷QW

: 電場

非対称度

Stark誘起E1遷移

干渉項

原子番号が比較的大δPNC ∝ Z3

近接逆パリティ準位Cs : ~ 7000 cm-1

Yb : ~ 600 cm-1

Sm : ~ 10 cm-1

Dy : ~ 0 cm-1

cm-1 ≈ 1.2×10-4 eV)

波動関数計算が複雑

多数の安定同位体Cs : 1Sm : 7

キャンセル

希土類原子を用いた原子パリティ非保存希土類原子を用いた原子パリティ非保存

H

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

He

Li Be Ne

Na Mg Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge

Al

B C

Si

N

P

As

O

S

Se

Te

F

Cl

Br

I

At

Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Xe

Cs Ba *

*

Hf

La

Ta

Ce

W

Pr

Re

Nd

Os

Pm

Ir

Sm

Pt

Eu

Au

Gd

Hg

Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Tl Pb Bi Po Rn

Fr Ra **

**

Rf

Ac

Db

Th

Sg Bh Hs Mt

Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

1 2

3 4 10

11 12 18

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

13

5 6

14

7

15

33

8

16

34

52

9

17

35

53

85

36

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 54

55 56 57-71 72

57

73

58

74

59

75

60

76

61

77

62

78

63

79

64

80

65 66 67 68 69 70 71

81 82 83 84 86

87 88 89-103 104

89

105

90

106 107 108 109

91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

Qw導出 実験中 or 計算中

1,2

21E

HΔ

= PNCPNCδ

Csを除いて、New Physicsに制限を与えるほどの精度を達成できていない

⇐希土類

レーザー励起

0

5000

10000

15000

20000

エネル

ギー

(cm

-1)

Even Odd

4f 65d6s 7G1(15639.80 cm-1)

4f 66s6p 7G1(15650.55 cm-1)

E1PNC

4f 66s2 7F0 (0 cm-1)

実験候補準位対

4f 65d6s 7G1 (15639.80 cm-1)4f 66s6p 7G1 (15650.55 cm-1) ΔE=10.75 cm-1

Sm原子の測定候補準位対Sm原子の測定候補準位対

問題点①15639.80-cm-1準位が

長寿命なため、蛍光の検出効率が低下

長寿命τ～100 μs

検出

E1

E1PNCPNC AA δ=

問題点②混合するE1遷移振幅が小さいため、PNC誘起E1遷移振幅が小さくなる0

5000

10000

15000

20000

エネル

ギー

(cm

-1)

Even Odd

4f 65d6s 7G1(15639.80 cm-1)

4f 66s6p 7G1(15650.55 cm-1)

E1PNC

4f 66s2 7F0 (0 cm-1)

二本のレーザーを用いて高励起準位を利用

光二重共鳴法による二段階励起実験光二重共鳴法による二段階励起実験

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

エネル

ギー

(cm

-1)

Even Odd

プローブレーザー

ポンプレーザー

混合

E1

高励起準位の多数の選択肢⇒ 混合するE1振幅の大きいものを利用

短寿命準位を利用

Even Odd0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

エネル

ギー

(cm

-1)

検出 プローブレーザー

ポンプレーザー

混合

短寿命 τ～10 ns

研究目的：光二重共鳴法実験の確立、禁制遷移におけるStark誘起E1遷移を観測

M1±

E1PNC+

E1Stark

M1±

E1PNC+

E1Stark

2. 実 験

I. 中間準位の分光実験II. 電気放電法による高励起準位の探索III. レーザー周波数ロックシステムの構築IV. 光二重共鳴法によるStark誘起E1遷移測定

実験装置実験装置

モリブデンタンタルステンレスボロンナイトライド

1cm

Sm

タングステンフィラメント

原子線発生炉

IP1：分光測定用

（将来の非対称度測定ではどちらかの外場を反転することで手系反転）

IP2：周波数ロック用

PMT：光電子増倍管

相互作用点

I. 中間準位の分光実験

精密な分光データを得る必要がある

• 超微細構造• 同位体シフト• Stark分岐• Zeeman分岐

FPI PMT

MCS

MCSPMT

λ / 2

MCS

PMT

ヨウ素セル

真空槽

λ / 2： λ / 2波長板FPI ： Fabry-Perot干渉計PMT：光電子増倍管MCS：マルチチャンネルスケーラ

IP1

CWリング

色素レーザー

MCS チャンネル（1チャンネル : 20 ms）

Sm蛍光

I 2蛍光

FPI透

過光 FSR=297.7 MHz

15650.4873 cm-1

15650.5275 cm-1

Sm原子線

カウント

/20

ms

0 → 15650.55 cm-1 E1遷移実験セットアップ

レーザー周波数をスキャン

~ 10 GHz (0.33 cm-1)

相対周波数 (GHz)相対周波数 (GHz)

相対周波数 (GHz)

カウント

/20

ms

カウント

/20

ms

カウント

/20

ms

外場なし（超微細構造・同位体シフト） 電場あり（Stark分岐、 = 26.10 kV/cm）

磁場あり（Zeemank分岐、B = 352.1 Gauss）

0 → 15650.55 cm-1 E1遷移

超微細結合定数、同位体シフト、

テンソル分極率、g値を精度良く決定

超微細結合定数、同位体シフト、

テンソル分極率、g値を精度良く決定

テンソル

分極

率a 2

[kH

z/(k

V/c

m)2 ]

∝α22

StarkStark

EH

δα ⇒Δ

∝1,2

21 2

2

J=1

m = ±1

m = 0

Stark分岐磁気量子数|m|の縮退がとける

候補準位と同じ電子配位を持つ準位のα 2を系統的に測定

候補準位15650.55 cm-1 (7G1)のα 2大きな値 ⇒ 大きなStark混合同位体依存性を確認

⇒ 波動関数計算に関する情報

テンソル分極率の同位体依存性

4f 66s6p 7G2-114

-113

-112

-111

-5504f 66s6p 7G1

-549

-548

-547

-546

144 146 148 150 152 154117118119120121122

質量数

4f 66s6p 7G3

テンソル分極率

電場

候補

準位

同位体ごとのα2測定

II. 電気放電法による高励起準位の探索

高励起準位の脱励起波長を調べ、光二重共鳴実験に適した準位を選ぶ

高励起準位を調べるため電気放電法を利用する

基底状態・準安定状態へ強く脱励起する高励起準位を選択

基底状態・準安定状態へ強く脱励起する高励起準位を選択

電気放電法Taカソードから放出される熱電子をSm原子にぶつけ、準安定状態に励起し

高励起準位を一本のレーザーで測定

• プローブレーザーの波長が近赤外域（~780 nm）

• 全角運動量 J = 0 or 1

? ポンプレーザー

プローブレーザー

15650.55 cm-1

?

639 nm

0 cm-1

~780 nm

電気放電法

バンドパスフィルター

検出レーザー

準安定状態

基底準位

脱励起光の波長を測定

E1

電気放電法用原子線発生炉

エネルギー (cm-1) 電子配位

28168.22 4f 55d6s2 J=0

28233.08 4f 55d6s2 J=128704.25 4f 55d6s2 J=1

選択した高励起準位

VD

タンタルカソード

VC

原子線 電子

28233.08 cm-1準位脱励起分岐比

300 400 500 600 700 800 9000

20

40

60

80

100

波長 (nm)

分岐比

(%)

→基

底項

→準

安定

状態

100 nm刻みのバンドパスフィルターで蛍光測定

100 nm刻みのバンドパスフィルターで蛍光測定

通常の原子線発生炉にTaカソードを取りつける

III. レーザー周波数ロックシステムの構築

光二重共鳴を効率良く行うため、ポンプレーザーを一段階目のE1遷移にロックする

レーザー周波数は時間とともに

ふらつくため、絶対周波数基準を用いてフィードバックを行う

ポンプレーザーの周波数を一段階目のE1遷移周波数に固定⇒ 不変な絶対周波数基準が必要

絶対周波数基準としてIP2におけるSmの蛍光信号そのものを用いる

Even Odd0 cm-1

15650.55 cm-1

蛍光レーザー検出

周波数基準とのズレを検出

IP2

Vin

Vout

+ −

Vout → Vout + δ × (Vin − V0)δ : ゲイン

V0

+

−Voutを増加（周波数増加）

Voutを減少（周波数減少）

検出した信号をPCに取りこみ

ソフトウェアでフィードバック

Vin Vout

0

2

4

6

8V i

n(V

)

V0

0 200 400 600 800 1000時間 (sec.)

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.100

500

1000

1500

2000

Vout の相対変化 (V)

度数

ロックシステムのパフォーマンス

誤差信号ロック用ピーク

周波数ドリフト : ±3 MHz周波数ドリフト : ±3 MHz

IV. 光二重共鳴法によるStark誘起E1遷移測定

ポンプレーザー

プローブレーザー

禁止遷移に現れるStark誘起E1遷移を

測定する

検出

AOD

PBS

λ/4

波長計

DM

FPI PMT

色素レーザー

チタン・サファイアレーザー MCS

MCSPMT

PMT

IP1

IP2

真空槽

λ/2プローブレーザー

ポンプレーザー

ADCDAC PC積分回路

周波数ロックシステム

DM : ダイクロイックミラー

赤外：透過可視：反射

PBS : 偏光ビーム

スプリッターAOD : 音響光学偏光器

レーザー周波数をシフト(120~200 MHz)

λ / 2 : λ / 2波長板λ / 4 : λ / 4波長板FPI : Fabry-Perot 干渉計PMT :光電子増倍管MCS :マルチチャンネル

スケーラ

実験セットアップ

Starkシフトを補正

E1-E1実験

π (Δm = 0) : // εσ (Δm = ± 1) : ⊥ε

レーザー偏光(ε)と電場( )の関係

光二重共鳴実験のテストとして二段階E1実験

（プローブレーザーをE1遷移に合わせる）

4f 66s6p 7G1(15650.55 cm-1)

4f 66s7s 9F1(28708.20 cm-1)

13057.65 cm-1

(765.6 nm)

15650.55 cm-1

(638.8 nm)σ

π or σ

m = ±1m = 0

m = ±1m = 0

( ⊥ε )

Even Odd4f 66s2 7F0 (0 cm-1)

高励起偶パリティ準位からの蛍光を観測 !

光二重共鳴実験に成功

高励起偶パリティ準位からの蛍光を観測 !

光二重共鳴実験に成功

このE1遷移を次に行うStark誘起E1遷移との

強度比較に用いる

4f 55d6s2 J=1 (28233.08 cm-1)

12582.53 cm-1

(794.5 nm)πorσ

( ⊥ε )

m = ±1m = 0

E1-Stark誘起E1実験

m = ±1m = 0

4f 66s2 7F0 (0 cm-1)

15650.55 cm-1

(638.8 nm)σ

4f 66s6p 7G1(15650.55 cm-1)

高励起奇パリティ準位

電気放電法実験で選んだ3つの高励起奇パリティ準位

への禁止遷移測定

波長(nm)

エネルギー(cm-1)

電子配位

798.7 28168.22 4f 55d6s2 J=0

794.5 28233.08 4f 55d6s2 J=1

765.9 28704.25 4f 55d6s2 J=1

プローブ遷移

Even Odd

-300 -200 -100 0 100 200 300 4000

20406080

100120140160

相対周波数 (MHz)

カウント

/20

ms

m=±1

m=015650.55 cm-1

28233.08 cm-1

0 cm-1

m=±1m=0

σ π

= 17.59 kV/cm

σ π

794.5 nm

テンソル分極率を測定α2 = -213.5 (4.5) kHz/(kV/cm)2

高励起奇パリティ準位

波長(nm)

エネルギー(cm-1)

電子配位

798.7 28168.22 4f 55d6s2 J=0

794.5 28233.08 4f 55d6s2 J=1

765.9 28704.25 4f 55d6s2 J=1

798.7-nm、765.9-nm禁止

遷移でピークを観測できず

798.7-nm、765.9-nm禁止

遷移でピークを観測できず

794.5-nm 禁止遷移においてピークを観測 !!794.5-nm 禁止遷移においてピークを観測 !!

4 6 8 10 12 14 16 18

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

E1St

ark/E

1強度

比(7

94.5

nm

/765

.6 n

m)

電場強度 (kV/cm)

-40 -20 0 20 400

50

100

150

200

250

300

相対周波数 (MHz)

カウント

/20

ms

=17.1 kV/cm =13.5 kV/cm= 5.8 kV/cm

Stark誘起E1遷移の電場依存性

E1

E12

21E

2

III

AA

StarkStark

StarkStark

∝=

=

δ

δStark誘起E1遷移強度

観測されたピークがStark誘起E1遷移

であることを確認

ピーク強度をテスト実験として測定したE1遷移の

ピーク強度で規格化

データのばらつきは大きいが電場の二乗に比例している

観測されたピークがStark誘起E1遷移

であることを確認

2

3. 考 察

Stark誘起E1遷移への寄与Stark誘起E1遷移への寄与

α2 = -213.5 kHz/(kV/cm)2

ΔE = 475.12 cm-1 ?⇒ δ Stark = 1.5 × 10-4

4f 66s6p 7G1(15650.55 cm-1)

4f 66s2 7F0 (0 cm-1)

4f 65d6s 7G1(15639.80 cm-1)

4f 55d6s2 J=1(28233.08 cm-1)

4f 66s7s 9F1(28708.20 cm-1)

大きなE1遷移振幅の混合高励起準位

EStark Δ∝ 2αδ

Stark効果の

混合度

α2 = -561.7 kHz/(kV/cm)2

ΔE = 10.75 cm-1

⇒ δ Stark = 1.6 × 10-3

中間準位

<

混合するE1遷移振幅

794.5 nm

規格化に用いたE1遷移振幅= 5(1)

s-p遷移

（遷移振幅大）大きな遷移振幅を持つE1が混合

大きな遷移振幅を持つE1が混合

未発見の高励起偶パリティ準位

28233.08 cm-1 4f 55d6s J = 1

28168.22 cm-1 4f 55d6s J = 0

28704.25 cm-1 4f 55d6s J = 128708.20 cm-1 4f 66s7s J = 1

29037.25 cm-1 4f 66s7s J = 2

29469.59 cm-1 4f 66s7s J = 0

29066.02 cm-1 4f 66s2 J = 2

475.12 cm-1

804.17 cm-1

832.94 cm-1

1301.37 cm-1

Even Odd20000 cm-1

測定準位の近接準位

準位構造がよく調べられていない

?

未発見の近接逆パリティ準位が存在 ?未発見の近接逆パリティ準位が存在 ?

?

実験の問題点実験の問題点

• 禁止遷移におけるStark誘起E1遷移測定に成功!!1-step励起に対して信号強度を2~3桁向上

•ピーク強度のばらつきが大きい• ポンプレーザーの周波数変動によって中間状態の占有数が大きく変動

周波数ロックシステムが速い周波数変動を抑制できていない高速応答が可能な別の絶対周波数基準が必要

安定化したFabry-Perot干渉計

• 高精度の非対称度測定を行うにはシグナル強度が圧倒的に足りない

• プローブレーザーの強度増強（Power buildup cavity）• ポンプ・プローブレーザーの周波数安定化• 原子線強度の増強

問題点

周波数安定化の改良

Pumpレーザーを安定化したFPI共振器にロックfeedbackをAODにかける

Electric field (kV/cm)Star

k-in

duce

d E1

inte

nsity

(a.u

.)

Stark誘起E1遷移の電場依存

4. まとめ

パリティ非保存実験の候補準位である15650.55-cm-1

準位の系統的な分光実験を行った

超微細構造・同位体シフト・Stark効果・Zeeman効果

テンソル分極率の同位体依存性を観測

光二重共鳴法を用いて、28233.08-cm-1準位への

禁止遷移にいてStark誘起E1遷移の観測に成功

大きなE1遷移振幅が混合

未発見の近接逆パリティ準位の存在

前者の場合、 28233.08-cm-1準位を用いた実験スキームは

パリティ非保存実験の候補となる

要約