B−PAC 委員の皆様、 E264：申請実験課題名 Feasibility test for the

B−PAC 委員の皆様、
E264：申請実験課題名
Feasibility test for the permanent electric dipole moment search of francium atom
に関して内容不備の点、ご指摘いただきありがとうございます。現段階での検討内容を
回答いたしますので、再度、ご確認いただければ幸いです。なお、今回新たに開発を提
案しているビームラインの位置が、Proposal 記載のものと異なっておりますが、検討
の過程で、いくつかの境界条件をクリアするために位置を変更しております。
以上、よろしくお願いいたします。
RCNP
酒見
1
長期プロジェクトとして提案する際の全体計画。
目標：フランシウム（Fr）の永久電気双極子モーメント（EDM）を 10-28 e cm の
精度で探索する。これは、現在の測定精度（1.5×10-27）を１桁向上させ、時間反
転対称性の破れ、超対称模型で導入される CP 非保存の位相および超対称粒子の質
量を調べる等、超対称性破れの機構を探る上で必要な精度である。
1.1
全体の予算規模と想定される年次計画。
1.1.1 予算規模は、総額８５００万円程度。
内訳は、資料１に示すが、以下の５つの部分に分けて、外部資金を含め
て建設費用獲得の努力を行う。最終的な実験装置の配置を資料２に示す。
今回の申請で、①Fr 生成用ビームラインの開発を行う。
項目
必要予算
申請状況
①
Fr 生成用ビームライン
②
実験室へビームライン延長
１１００万
プロジェクト申請検討
③
磁気光学トラップ装置
５５５０万
外部資金申請検討
④
レーザートラップ装置
５３０万
科研費（萌芽）申請中
⑤
検出器
３８０万
外部資金・実験申請検討
４７０万
本申請
1.1.2 年次計画∼６年計画
EDM 探索は、超対称粒子の直接検証をめざす高エネルギー実験が稼動し、
実験データを出し始める前に行うことが重要と思われる。LHC@CERN
が２００７∼２００９年頃に運転開始し、続いて Linear Collider 計画が
進展していくことを考慮すると、６年程度を目安に Physics Output をだ
せるような年次計画とする必要がある。実験の Strategy を資料３に示す。
年次
項目
２００５年
Fr 生成用ビームライン開発。
主に装置設計・開発、実験の１部遂行（E264）。
平行してトラップ装置の設計。
２００６年
Fr が所定の収量でることを確認・実験（E264）。
実験結果をふまえてプロジェクト申請。
トラップ装置のオフラインでの実験開始。
２００７年
実験室へのビームライン延長（プロジェクト採択後）
トラップ装置等、すべての実験装置を実験室に配置。
２００８年
Phase1：Fr
測定精度
EDM の測定。
２週間の測定。
8×10-28 をめざす。18O
ビームでの測定。
平行して 19F ビームの引き出し、あるいは、磁気
光学トラップの捕獲効率の向上を検討。
２００９年
Phase2：Fr
測定精度
19F
EDM の測定。
1.4×10-28
２週間の測定。
をめざす。
ビーム、あるいは、捕獲効率をあげた MOT を
使用する。
２０１０年
データ解析。
なお、この６年間の測定は、放射線管理上の枠内（AVF からの重イオン
ビーム：6 puA 以下）での測定を想定している。
Phase2 を終え、EDM 探索実験の結果、および、高エネルギー実験によ
る超対称粒子探索の実験現状をふまえて、さらに、精度を高めて測定す
ることに意義がある場合は、放射線管理室、加速器グループ、研究企画
室等と放射線管理変更申請の可能性を議論・相談のうえ、Phase3 として、
イオン源で最大ひきだせるビーム強度での探索実験を検討する。
1.2
物理的な結果を得るまでの全マシンタイム日数。
４週間＠Data Production Run＋２週間＠開発実験＝合計６週間／６年間。
その内訳は、資料３に示すとおり、以下の２段階で実験技術の蓄積を行いなが
ら行う。
① Phase1：２週間測定
z
現在の電子 EDM の測定精度をさらに向上させる。（8×10-28）
z
Surface ionizer、イオンガイドの設計パラメータの最適化により、所
定の測定精度を実現。
z
SUSY で予想される CP の破れの位相角が大きい場合の EDM 探索。
② Phase2：２週間測定
z
放射線管理の制限範囲内で行える最高精度の EDM 探索を行う。
z
目標精度は、1.5×10-28 。
z
19F
ビームの加速か、あるいは、磁気光学トラップ中での中性原子捕
獲効率の向上により、所定の精度を実現する。どちらの方式を選択す
るかは、加速器グループとの相談により、判断する。
z
SUSY で予想される位相角が小さい場合、あるいは関与する超対称粒
子の質量が重い場合の EDM 探索。
想定している６年間で、上記４週間以外に、ビーラインの調整等、基幹装置の
技術開発として、２週間程度のマシンタイムは必要と思われる。
1.3
全体計画と今回の申請の関係。
資料２の図に示すように、今回の申請では、①Fr 生成用ビームラインをリン
グ本体室に建設し、所定の測定精度を得るために必要な収量の Fr が得られる
ことを確認する。予算項目の全体計画との関係は、資料１に示すとおりである。
今回の申請で建設する装置を、全体計画の中で最大限そのまま活用できるよう
な設計にする。
全体計画としては、コンクリートシールドの先にある西実験室に①で建設した
ビームラインを②延長し、③磁気光学トラップ装置、④レーザートラップ装置、
⑤検出器を西実験室大扉横のスペースに配置することを検討している。
なお西実験室に測定装置を配置するのは、Fr 生成の際に融合反応で放出され
る数 MeV 程度の中性子、ガンマ線などのバックグラウンドから EDM 測定用
の検出器、トラップ装置を保護するためである。
プロジェクトが認められた段階で、ビームライン延長、ロータリーシャッター
等の放射線管理上の基盤設備を整備する。また外部資金等の獲得により、EDM
探索のためのトラップ装置、検出器が整備された段階で、Phase1 の実験遂行
の条件が整う。
1.4
長期プロジェクト申請予定について、申請者の計画。
以下の２つの条件がクリアされた段階で、プロジェクト申請を行う。
時期としては、1.2 節で記述したように、来年度２００６年度の B-PAC への提
案を目指す。
①
所定の測定精度に必要な Fr 収量を得る見込みを確認する。
（本申請）
②
トラップ装置に要求される仕様をつめて、開発に見通しがたつ。
実験施設（ビームライン）等のインフラ整備にかかわる費用は、RCNP のプロ
ジェクト予算にて、また、トラップ装置等は、RCNP の通常の共同利用には活
用しにくい装置でもあるので、外部資金での整備を最大限努力する。
予算項目⑫の磁気光学トラップ用レーザーが５０００万円程度であり、非常に
高額である。現在検討しているレーザーは、東実験室におけるレーザー核分光
等の実験提案でも、これまでに要求があった物品であり、該当研究グループ同
士での共同利用体制も考慮して、継続して購入方法を検討する。また、このト
ラップレーザー光を、比較的安価な半導体レーザーで実現できないか、あわせ
て検討中である。
資料１
必要予算総額（案）：今回申請する予算項目は、下表の青色部分。フランシ
ウム生成用ビームライン開発部分となる。
0
0
1
1
Function
Equipments
Contents
Fr
Surface
W rod, extraction
cost
ionizer
This proposal
electrode, heater
Vacs メタル
electrostatic lenses,
1
2
Fr beam line
KT
\2,400,000
This proposal
beam pipe, frame
1
Power
Power supply
supply
and control
3
contact
日本
\750,000
production
Budget
サイエンス
\400,000
This proposal
\1,000,000
This proposal
\150,000
This proposal
高砂
Vacuum
1
4
Pump
system
1
5
detector
silicon detector
1 合計
\4,700,000
2
beam line
rotary
extension
shutter
6
2
7
2
8
shield
\5,000,000
Project apply
\1,000,000
Project apply
\2,000,000
Project apply
\3,000,000
Project apply
Vacuum
system
2
9
Control
2 合計
\11,000,000
vacuum
3
10
MOT
chamber
\2,000,000
外部資金
ホリゾン
\500,000
外部資金
タカノ技研
\50,000,000
外部資金
Coherent
\3,000,000
外部資金
メレスグリオ
chamber
3
11
coil
coil for MOT
3
12
trap laser
Ti-sapphire laser
optical
mirror, beam
3
13
elements
expander, bread board
3 合計
\55,500,000
Science
4
14
Laser Trap
科研費（萌芽）
chamber
\300,000
chamber
ホリゾン
申請中
科研費（萌芽）
4
15
trap laser
fiber laser
\3,000,000
Keopsys
申請中
4
4 合計
16
Vacuum
ion pump etc..
\2,000,000
\5,300,000
外部資金
CCD
5
17
外部資金・
detector
\300,000
camera
Silicon
5
外部資金・
18
\200,000
detector
共同利用
photon
5
SONY
共同利用
外部資金・
19
\300,000
detector
浜松
共同利用
外部資金・
5
20
DAQ system
computer, electronics
\3,000,000
GND
共同利用
5 合計
総計
資料２
\3,800,000
\80,300,000
実験装置全体図（案）
：今回の申請では、①で示したビームラインを開発する。
③④⑤のトラップ装置、検出器等は、西実験室に配置することを検討中である。
資料３
EDM 探索の長期計画（案）
：２０１０年までに、測定精度 10-28 を目指す。
下図で Phased2 までを実現する。その際、19F ビームの加速あるいは磁気光学トラップ
装置の原子捕獲効率向上のどちらかの技術を選択する。
2
Fr の収量が SUNY を一桁上回ることができる定量的根拠。
SUNY における中性 Fr 原子の収量は、MOT に入射させる前で（Neutralizer から
放出されるフランシウム原子）
、106 個/s である。今回、EDM 探索に必要な収量は、
Phase1 において 107 /s 以上、Phase2 で 108 /s 程度である。SUNY での 18O のビーム
強度はターゲット上で 0.2puA である。今回建設中の超伝導 ECR イオン源は、理研と
ほぼ同型のものを開発しているが、イオン源から 80puA 以上のビーム強度の実績があ
る。イオン源からリング本体室までのビーム透過効率を考慮して、放射線管理の限界：
6 puA までビームをターゲット上に伝送することが、原理的には、可能と考えられる。
ビーム強度がＳＵＮＹに比べて３０倍になるのが、Ｆｒ収量を増加させる大きな要因で
ある。以下に、収量評価の概略を記述する。
RCNP で予想されるフランシウム原子の収量を以下の要領で評価した。
①
18O+197Au→2xxFr+xn、および 19F+198Pt→2xxFr+xn
の融合反応の断面積を、
統計モデル計算（計算コード：PACE2/4 を用いた）にて評価した。結果を
資料４に示す。この断面積から、ビームが表面イオン化器（Surface Ionizer）
標的中でとまるまでに生成されるフランシウムの数を評価する。
②
表面イオン化器において、生成されるフランシウム（１価）のイオン化効率
は、資料５に記載してある Langmuir-Saha の式に従う。結果は、資料５に
示すように、想定している Ionizer の物質では１００％に近い。
③
Surface
Ionizer から生成されたフランシウムイオンが、ひきだされて、静
電レンズによるビーム伝送系をとおり、Neutralizer で中性フランシウム原
子となるまでには、資料６上図で示す各構成要素の効率がかかってくる。
(ⅰ)イオン化効率∼②で評価
(ⅱ)引き出し効率∼SUNY での実績値を入力。
(ⅲ)フランシウムイオン透過率∼SUNY の実績値を入力
る損失（真空度）∼ⅲに Include
率∼SUNY の実績値を入力
(ⅳ)残留ガスによ
(ⅴ)Neutralizer での中性原子引き出し効
(ⅵ)トラップ装置の原子捕獲効率∼これは、磁
気光学トラップ装置での中性原子捕獲・冷却効率と、レーザートラップ装置
への伝送効率から構成される。これらの効率は京大のトラップ装置から評価
される数値を入力した。SUNY のトラップ効率が、Phase1/2 と比較して大
きいのは、磁気光学トラップ装置のみでフランシウムを捕獲しているために、
レーザートラップ装置への伝送効率がかかっていないのが理由である。
④
これらをすべて考慮して評価した結果が、資料６で示す表である。青で囲ん
だ部分が、RCNP における Phase1/2/3 各構成での収量、およびこの評価の
手続きにより SUNY で予想される収量を示す。SUNY の実績値 106 /s と比
較して本評価では３０％程度低く見積もっているが、期待される収量評価の
目安になると考えられる。
⑤
この結果により、Phase1 では、3.4×107 /s、Phase2 では 9.6×107 /s の収
量が見込まれ、ほぼ所定の精度を実現する必要条件は整うと考えられる。た
だし、Phase2 実現の条件は、19F ビームの加速、あるいは、磁気光学トラ
ップ装置の原子捕捉効率の向上が必要である。
資料４：統計モデル（PACE4）による融合反応の断面積。
資料５：Surface Ionizer でのイオン化効率。
資料６：フランシウム原子の収量評価。青で囲んだ部分が中性フランシウム原子の
収量の比較。Phase1 では、3.4×107 /s、Phase2 では 9.6×107 /s。SUNY は、この評
価では、7.1×105 /s となる。

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