Fundamental Physics
with
Slow Neutrons
Center for Experimental Studies, KMI
Laboratory for Particle Properties (Φ-Lab)

Masaaki KITAGUCHIAbstract
Neutron is suitable for the precision measurement of the small
influence of new physics beyond the standard model of elementary
particles.
Combination of the instantaneousely luminous cold neutrons at J-PARC
and the advanced neutron optical devices enables us to perform new
types of high precision measurements.

Lifetime→ big-bang nucleosynthesis
EDM→ T violation
compound nuclei→ T violationn-nbar
→ B-L violation
short range force → gravity
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page

2

nHe/nH~1/4

nB/nγ~10-9

B=0

B-L violation

Extra Dimension

primordial nucleosynthesis

n-n oscillation

Sphaleron process

B>0

EDM / n-A T-violation
CP violation

neutron lifetime

Large Extra Dimension
StrongGravity

Neutron Interferometry etc.
Weak
EM
HadronNuclei

Atom

MatterPresent

NeutronNi 244neV

i29.5peV

i0.743aeVgdStrong Interaction

60neV
1T

0neV
- 60neVγnτ=885.7se-Wdkinetic energy

MeV

temperature

1010K 109K

wavelength

100fm

p

νe
Weak Interaction

103neV

G

u

1m
0neV

Gravitational Interaction

Electromagnetic Interaction

fast

n

epithermal

thermaleVmoderation
105K

104K

0.01nm

103K
0.1nm

cold
meV

100K

10K
1nm

very-cold

ultracold
neV

conversion µeV
1K

0.1K 0.01K

1mK 100µK 10µK

10nm

100nm

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4

1µm

Neutron Physics
電荷を持たない

光学的制御

量子放射補正項の精密測定
標準模型を超える新物理探索
n
p

d g d
g

g

γ

[m]

1030
10-40

g

g

d

u
g

W

G

[eV]

g

u

u

1020
10-30

1010
10-20

100
10-10

10-10
100

10-20
1010

10-30
1020

中性子崩壊寿命

CP対称性
短距離重力
バリオン数非保存

中性子光学

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5

10-40
1030

Control neutrons
強い相互作用 Ni 244neV

電磁相互作用弱い相互作用
60neV

1T

0neV
- 60neVe-τ=885.7snp

重力相互作用103neV
1m

νe

0neV

Optical control

neutron mirror

magnetic lens, polarizerx

sextupole magnetz

12 Feb. 2014, KMI Topics
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intensity

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6

nHe/nH~1/4

nB/nγ~10-9

B=0

B-L violation

Extra Dimension

Lifetime

Sphaleron process

n-n oscillation

primordial nucleosynthesis

B>0

EDM / n-A T-violation

CP violation

neutron lifetime

Large Extra Dimension
強い相互作用
重力相互作用Neutron Interferometry etc.

弱い相互作用
電磁相互作用ハドロンの誕生

原子核の誕生
原子の誕生
物質の誕生

現在

中性子β崩壊τ= 885.7±0.8 s (PDG2008)

e

νe
W

n
d
u
d

p
u
u
d

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8

中性子寿命12 Feb. 2014, KMI Topics
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9

Big Bang 元素合成と中性子寿命測定
中性子・陽子平衡が破れ核合成が始まるまでに中性子が崩壊
軽元素の合成量は材料である中性子の量に依存
τn = 887.7±1.2(stat)±1.9(sys) s (NIST, 2013)→中性子寿命が宇宙の元素合成量に影響 τ = 878.5±0.7(stat)±0.3(sys) s (PNPI, 2005)nPlanck(2013)

0.26( 4He/(H+4He) )

0.255

0.25
0.245

WMAP
(2010)

初期天体の観測値（中性He原子の発光のモデル依存性がある）

Izotov et. al. (2013)

Penibelt et. al.
(2007)

〜
Y
p
/
dY p

/ τn
τ
n
d
7
0.

0.24

0.235

1

2

3

様々な中性子寿命の実験で値が有意にばらついている

4

5( Baryon-to-photon ratio 10-10 )6

7

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中性子寿命の精度向上
を通じて始原的軽元素
量の観測値および標準
ビッグバン元素合成
理論を検証できる

page
1010

14

The largest theoretical uncertainties come fro
mon to both, free neutron decay and pure Fermi-

1 (4908.7 ± 1.9) s| Vud | =;2⌧n
(1 + 3 )and we obtain an expression for the first elemenquark mixing matrix Vud

GA = g1 (q 2 ! 0) · Vud · GF =GV = f1 (q 2 ! 0) · Vud · GF =Using the conserved vector current (CVC) hypot
be set to zero but

p {fi ! gi 5 }

n.

n.

2
2
p {f1 (q ) µ + f2 (qIn the Standard Model, neutron decay is goverunderlying V–A structure. The Lagrangian contai
one. The latter is written as [28]:and systematic uncertainties in the(4) extrapolation of the helium abundance twith zerometalicity
dominate the experimental error band. Thus, the consiste
CKM行列要素Vudと中性子寿命測定
2
GV =Standard
f1 (qmost! Model0) · Vud· Vquestion.
GF
ent (CVC) hypothesisformfactors
fyet
gudi ·can
F =
Vin
igand
is· G
not
中性子β崩壊の角相関項からλが求まる
GA = g1 (q 2 ! 0) · Vud · GF = gA · Vud · GF

tozero
gi 5 }p {fi ! but＋中性子寿命から、
!
0)
· Vud
GF = gV · Vfor
GF first element of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa
ud ·thee obtainan· expression
τn = 887.7±1.2(stat)±1.9(sys) s (NIST, 2013)
Vud Physics
が求まる
4.2
ParticlemixingV! 0)→小林益川行列の· Vmatrix
·
G
=
g
·
V
·
G
τn = 878.5±0.7(stat)±0.3(sys) s (PNPI, 2005)
ud
F
A
F
ud
ud

2

Aµ = i

i

nl
ife
1 the
(4908.7± 1.9)Model,s
GA isgAgovernedStandard
neutron decay
by the weak interaction
2 Inr the first |elementofCabibbo-Kobayashi-MaskawatimVud | =;
with =n=.
(5)e2PNtwo parts, a leptonic and alifGV
underlying
contains⌧n(1 +V–A3 ) structure. The Lagrangian
gV
eti
PI
me
+→0+
20
0
one.
The
latteris
written
as
[28]:
NI
e08.7
largesttheoreticaluncertainties
which are05com± 1.9)s
GA comegA from radiative corrections
ST
⌫
;
with
=and pure= Fermi-transitions.
(5)
Unitarity
20[29].
q2o(1both,free
neutrondecay
innuclei
µ⌫
2
2
2 qµ
+3 )
GV V gV A = i {f (q ) + f13(q )+ if3 (q ) } n
µ
µ
p 1
µ
2

Vµ

tainties come from radiative corrections which are com14[29].
i p {fi ! gi 5 }y and pure Fermi-transitions in nuclei

mp

me

n.

Perkeo II 2012

個々の実験での中性子寿命の値
Using the conserved vector current (CVC) hypothesis most form factors fi a14besetの値では
to zero but
から求めた
Vud
CMK行列がunitaryにならない
GV = f1 (q 2 ! 0) · Vud · GF = gV · Vud · GF
GA = g1 (q 2 ! 0) · Vud · GF = gA · Vud · GF

様々な中性子寿命の実験で値が有意にばらついている
and we obtain an expression for the first element of the Cabibbo-Kobayashi
quark mixing matrix Vud

1 (4908.7 ± 1.9) s| Vud | =;2⌧n
(1 + 3 )12 Feb. 2014, KMI Topics
2

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with

GA
gA
=
=
.
GV
gV

The largest theoretical uncertainties come from radiative corrections which
page 11

Neutron Lifetime
Stored UCN

Imperfect storage bottle

Cold neutron beamEﬃciency ofmeasurement ofincident neutrons

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page 12

中性子寿命測定
様々な中性子寿命の実験があるが、値が有意にばらついているp

中性子寿命 [秒]894892

（penning trap）

崩壊陽子計数890

冷中性子ビームから崩壊で出てくる陽子を計数

888
886

崩壊陽子計数3.8σ

884

入射フラックスの不確かさ

UCN蓄積

882
880
878

UCN蓄積

876
1990

超冷中性子の生き残りを計数

1995

2000

2005

新しい手法での

2010

2015
年

O(0.1%) の高精度測定が必要
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壁でのロスの不確かさ

page 13

J-PARC パルス中性子を用いた高精度測定
冷中性子がTPC内で飛行中に崩壊して発生する電子（0〜782keV）を直接計数
測定原理 （Kossakowski,1989）
TPCより短く、速度のそろった
中性子バンチバンチがTPC内にある
時間だけ計測pν3He(n,p)te

β崩壊数
3He反応数

入射中性子ﬂuxは
3He 吸収反応で同時測定

τn : 中性子寿命v : 中性子の速度εe : 電子の検出効率

εn : 3He吸収反応の検出効率
ρ : 3Heの密度σ : 3Heの中性子吸収断面積
2200m/sの中性子に対する吸収断面積

Flux monitor、wall loss は原理的に起こらない
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page 14

Neutron Lifetime
J-PARC MLF
Linac
3 GeV

N

Neutrino

Materials and Life
Science Facility
50 G

eV

Jan. 2008

Hadron Exp. Facility

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page 15

Neutron Lifetime
J-PARC MLF

Jan. 2008
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Neutron Lifetime
J-PARC MLF

Jan. 2008
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page 17

Neutron Lifetime
J-PARC MLF

Jan. 2008
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page 18

J-PARC パルス中性子を用いた高精度測定

J-PARC
物質生命科学実験施設（MLF）
ビームライン BL05
中性子基礎物理ビームライン（NOP）
高偏極ビームブランチに

寿命測定のための機器を配置
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page 19

J-PARC パルス中性子を用いた高精度測定
スピンフリップチョッパー（SFC） 短く、速度のそろった中性子バンチを作る
30

CHAPTER 3. EXPERIMENT IN THIS THESIS

$#)



Flipper1

Magnetic
mirrors1&2

Lead shield(10cm)

1m

20m

TPC

RF coilm=5Magneticsupermirror

Flipper2
Figure 3.10: A photograph of a magnetic
supper mirror (MSM).

Guide
coil(1mT)&(*

Figure 3.11: A photograph of a radio
frequency flipper (RFF).

Magnetic
mirrors3

ON/OFF
コントラスト> 400:1 を達成
Figure 3.12: An illustration of the Larmor precession inside the radio frequency flipper.

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page 20

Neutron Lifetime
Time projection chambere-

Beta&decay~10-6&decay&in&1m&&for&cold&neutron&(1100m/s)~350keVnp~0.4&eV

3He(n,p)3H

n

3He

p

3H

190&keV

572&keV

Both of β-decay events and He capture
events are detected with high eﬃciency
in a same detector.

Eﬃciency 99.9%&

ReacHon&rate&is&
proporHonal&to&1/v
β decay'~3.6mPa'3He

Energy&spectrum&of&electron

electron >4 keV

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page 21&

Neutron Lifetime
Time projection chamber
MWPC

Eﬃciency&of&cosmic&ray&is&97&%/wire&
Beam&catcher

DriO&direcHon

Beam&
Entrancen

DriO&cage
Inside&of&the&driO&cage&was&covered&by&6LiF/PTFE&neutron&shield

Voltage&of&MWPC&(12&mm&pitch)

Anode

Anode&wire

29&of&W-Au&wires(+1780V)

Field&wire

28&of&Be-Cu&(0V)

Cathode&wire

120&of&Be-Cu&(0V)

DriO&length

30&cm&(-9000V)

Gas&mixture

He:CO2=85kPa:15kPa

TPC&size(mm)300,300,970

Filed

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page

22

J-PARC パルス中性子を用いた高精度測定
タイムプロジェクションチェンバー（TPC）
1m

MWPC

崩壊β線、3He吸収反応を高効率で同時計数
24本24chのAnode/Field Wireを
120本40chのCathode Wire2層でサンドPEEK使用→放射性物質からのBG大幅低減

Drift cage
30 cm

PEEK frame
6Liで内部100%覆う→ビーム起因即発γ線BGを低減

Veto
S/N ~ 1:1 を達成

ドリフト速度ばらつき1%以下
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page
2323

高精度測定のための解析手法の開発
TPCコミッショニングを行い、イベントを確認した
中性子β崩壊n

トラック端点の位置など
中性子バンチから発生していることを要請~350keV

バンチON-OFF差分p

170mm以下~0.4&keV

MWPC上側から見た
イベントディスプレイ

150mm

e-

Q valueは 0-782keVの連続分布。Energy depositは10keV程度。

中性子バンチドリフト長[mm]3He(n,p)3H

190&keV

n

3H
3He

p
572&keV

120mm
ビーム進行方向→Q valueは762keV(単色)を全てTPCに落とす。100kPaでは飛程 5㎝。
dE/dx によってHe イベントを抽出

バンチON-OFF差分
28keV/wire

低ゲインワイヤでの表示
中性子バンチ

ワイヤーあたりのエネルギー[keV]
12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 24高精度測定のための解析手法の開発
TPCコミッショニングを行い、イベントを確認した
シミュレーションでバックグラウンドを含んだイベントを作成
イベント形状、スペクトルなどを評価し、（ビーム起因）バックグラウンドの含有率を推定。β崩壊イベントの量を見積もる→測定の妥当性の評価に用いることができる、系統誤差はO(1%)まで

Data driven のイベント抽出による解析で、精度O(0.1%)へ
ガス圧の違うランなど複数の測定を組み合わせてバックグラウンドを除去しイベントを抽出。
→バックグラウンドを（シミュレーションに依らずに）引き算できる
系統誤差はO(0.1%)まで下げることを目指している

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page 25

Standard Model is not yet in question.

underlying V–A structure. The Lagrangian contains two parts, a leptonic and a hadronic
one. The latter is written as [28]:有効相互作用理論の精査（中性子β崩壊角相関項）
4.2 Particle Physics
Vµ

名大・理研・KEK
⌫

µ⌫ q
2 qµ
Aµ = iIn pthe
{f1Standard(q 2 ) µ +Model,
f2 (q 2neutron
)
+
if
(q
) V} by3n the weak interacti
ユニタリティ
mp decay isn lifgoverned
e me udt

imunderlying V–A structure. The nLagrangian
contains
two parts, a leptonic an
eP
lif
NP
eti
i
{f
!
g
}
.
(4)
I
n as [28]: meone. pThei latter iis 5written
20
0+→0+

| Vud |NI
05
ST
q ⌫ Unitarity
qµ
2
µ⌫
2
2
0+
1
{f
(q
)
f
(q
)
+i if3 (q 2 ) i }
p 1
µ 3 2
mp
me

Using the conserved vector current (CVC)
most form factors f and g cannVµ hypothesis
Aµ = ibe set to zero but
p {fi ! gi 5 }

i

2

n.

GV = f1Using(q !the0)conserved· Vud · Gvector· GF hypothesis most form factors f
F = gcurrent
V · Vud(CVC)zero
GA = g1be(q 2set!to0)· Vbutud · GF = gA · Vud · GF

標準理論の高精度検証

Perkeo II 2012

2

GV = f1 (q ! 0) · Vud · GF = gV · Vud · GF
and we obtain an expression for the first elementof the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa
GA = g1 (q 2 ! 0) · Vud · GF = gA · Vud · GF
quark mixing matrix Vudand we obtain an expression for the first element of the Cabibbo-Kobaya(5)
寿命と合わせて CKM行列のUnitarityを検証
GAgA
λ| Vud |2 =
;
with
=
=
.
Ａ項：中性子スピンと電子の運動量(1 + 3 2corrections)
gV
The largest theoretical uncertainties come from⌧nradiative
whichGare
comV
largestuncertainties in
comefrom radiative
mon to both,free neutron decayTheandpuretheoretical
Fermi-transitions
nuclei[29]. corrections wh
入射中性子の 偏極を10-4の精度＋ 大強度化1 (4908.7 ± 1.9) s
GAgA| Vud | = quark mixing 2matrix; Vud with==.
⌧n
(1 + 3 )GgVV
1 (4908.7 ± 1.9) s
2

Next Leading Order項の測定
ａ項：陽子のエネルギースペクトル
陽子エネルギー測定のための 超電導検出器

mon to both, free neutron decay 相関項の電子エネルギー依存性
and pure Fermi-transitions in nuclei [29].

1414

磁気プリズム

標準理論を超える物理の探索

新物理は、標準理論と異なる依存性がNLOに現れる
B項：ニュートリノ非対称度
D項は標準理論ではゼロ、時間反転対称性を破る
Ｄ項：ベクトル三重積
電子・陽子の運動量測定と中性子バンチによる崩壊点決定で三体崩壊を完全に決定できる

超電導検出器 KID

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page 26! !!

e p

 ,

%

'
*



J



,

J

pe

e p





e

e



p e

N-



N- -

 !!!

a=+0.103±0.004

N+ +



!
"!



N+

A=−0.1176 ±0.0011

12 Feb. 2014, KMI Topics
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B=0.9807 ±0.0030

page 27

nHe/nH~1/4

nB/nγ~10-9

B=0

B-L violation

EDM / n-A T-violation
CP violation

EDM

Extra Dimension

primordial nucleosynthesis

n-n oscillation

Sphaleron process

B>0

neutron lifetime

Large Extra Dimension
強い相互作用
重力相互作用Neutron Interferometry etc.

弱い相互作用
電磁相互作用ハドロンの誕生

原子核の誕生
原子の誕生
物質の誕生

現在

Neutron EDM

d=qx
+q
x
-q

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page 29

Spin is reversed.

Neutron EDM
Energy＋Fundamental
CP phases

­

TeV

QCD

gluon
self-couplings

T reversal

Electric charges
don’t change.

＋­

Muon EDM

nuclear

Neutron
EDM ( )

eN couplings

EDMs of nuclei
and ions(deuteron, etc)

atomicEDMs of paramagnetic
molecules(YbF, PbO, HfF+)
Atoms in traps (Tl,Rb,Cs)

EDMs of diamagnetic
atoms (Hg,Xe,Ra,Rn)Pospelov Ritz, Ann Phys 318 (05) 119

Present upper limit|dn| < 2.9 × 10-26 e cm

is approaching to the predictions of some physics
beyond the standard model of particle physics.
|dn| ~ 10-32 e cm
Standerd Model :New approach required-27 ~ -28 e cm
|d
|
~
10
n
New Physics (SUSY ...) :12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 30

How to measure EDM

Current nEDM experiment at ILL II

Precessions of stored UCNs are measured
Mu-metal B-shields
Mu-metalin magnetic and electric field.
B0 field coils

Neutron cell

HV in

B0 fields
coil

Z

*

Neutroncell*

Mercury lamp light Groundelectrode
Neutrons in/out

Ground electrode

Small storage area is better.

James Karamath

University of Sussex

30/06/2006 10:13:34

Stable and uniform magnetic field are required.
Precision measurement of the magnetic field is also required.
12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 32

11

How to measure EDM

Current nEDM experiment at ILL II

Precessions of stored UCNs are measured
Mu-metal B-shields
Mu-metalin magnetic and electric field.
B0 field coils

Neutron cell

HV in

B0 fields
coil

Z

*

Neutroncell*

Mercury lamp light Groundelectrode
Neutrons in/out

Ground electrode

Small storage area is better.

James Karamath

University of Sussex

30/06/2006 10:13:34

Dense UCNs & understanding of systematic uncertainties

Our new approach is UCN precision optics
Stable and uniform magnetic field are required.
Precision measurement of the magnetic field is also required.
12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 32

11

How to increase UCN density
Use intense source
High power proton beam (by accelerator)and large volume neutron target can make intense UCNs.
KEK-RCNPTRIUMF

PSI

2m3
vacuumUCN
storagehigh power2010-

low loss1000 cm-3

30 liters,
5K
solid D2
p-beam
1.3 MW
1% duty cycle

3.6 m2
D 2O

average = 13kW
max. peak power = 1.3MW

average=20kW
max. peak power = 200kW

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page 33

How to increase UCN density
Use intense source
High power proton beam (by accelerator)and large volume neutron target can make intense UCNs.

High power proton beam also makes heavy heat load at the source.
It is difficult to increase the UCNs anymore.
protonbeam

source

guide

cell

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page 34

How to increase UCN density
Use intense source
High power proton beam (by accelerator)and large volume neutron target can make intense UCNs.

High power proton beam also makes heavy heat load at the source.
It is difficult to increase the UCNs anymore.

source

guide

cell

UCNs are spread spatially while transport, however,intense source makes enough UCNs at the cell.

Most of UCNs are not used for measurement.
More eﬃcient way ?

UCN precision optics

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page 34

How to increase UCN density
Use efficient transport
If UCN pulse can be delivered, we can get dense UCNs at the cell.
How can we realize such kind of transport ?

?
UCN Rebuncher, a UCN optical device
requires controlling the UCN velocity properly
and keeping velocity before and after the device.

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page 35

Pulsed UCN transport

Ultra-coldneutrons

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page 36

Pulsed UCN transport

Storage cell

Neutron source

Pulsed UCNs spread spatially,
Density decreases quickly
without any treatment.

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page 36

Pulsed UCN transport

UCN Rebuncher = Neutron Accelerator
If the pulse shape is recovered at storage
area, the high density can be achieved.

Rebuncher reshapes UCNs into sharp pulse.
high density
Neutron source x

Storage cell

door position

ted ed
a
r
t
le
e
a
c
r
de
le
e
c
ac

fa
st
UC
N

Rebuncherosl

UCN production
at converter

w

N
C
U

t

decelerates the UCNs according to the velocity,
12 Feb.Rebuncer
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page 37

Rebuncher
Adiabatic Fast Passage (AFP) spin flipper is used for controlof the neutron energy.
RF magnetic field in gradient fieldBRFgives/removes the energy with spin flip.

2µB = h̄!
30 MHz = 1T = 120 neV

decelerateion
Opposite-spin neutrons are accelerated.
12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 38

Rebuncher
Adiabatic Fast Passage (AFP) spin flipper is used for controlof the neutron energy.
RF magnetic field in gradient fieldgives/removes the energy with spin flip.

Large
100

Deceleration
0

-100

1200
1400
ectric Dipole
Momentat J-PARC)NL\NEDM\FILPA0A.AF 6-10-2010

L\NEDM\FILPA33A.AF 6-10-2010
1200

1200
L\NEDM\FILPA33A.AF 6-10-2010

0:23:28

Small
page

16

Deceleration100

0:55:30 0
1400

30 MHz = 1T = 120 neV
Faster neutrons arrive early.

-100
-100
1400
0:55:30 0

Large deceleration = High Freq. RF

100ectric Dipole
Momentat J-PARC)
1200
1400

NL\NEDM\FILPA0A.AF 6-10-2010

2µB = h̄!

0:23:28

-100

page

16

Slower neutrons arrive late.

0100

Small deceleration = Low Freq. RF

Energy exchange
is proportional to
the RF frequency.

Sweeping frequency
according to time

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page 39

電磁石本体Rebuncher
中間磁極MagnetUCNs

Ni Guide tube
Shutter

RF resonance circuit
Motor
M

Amp
Timing signal

180 cm360 cmYoke 材質：SS400 (構造材)製作された電磁石

He Detector

中間磁極：SS400+アルミの積層
コイル冷却：間接水冷

2011年 2月 23日 水曜日

12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 40

DAQRebuncher
Demonstration in HFR at ILL
RF OFFToo fast

RF ON

Too fast
Neutron counts

for EDM exp.

Neutron counts

for EDM exp.

102

103

Decelerated!

102
102

10

10
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Blue : Exp. Data
Red : Simulation

1.6

1.8
2
TOF [sec]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8
2
TOF [sec]

Y. Arimoto, et., al.,Phys. Rev. A 86, 023843 (2012).

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page 41

電磁石本体Rebuncher

RF ON / RF OFF

中間磁極

2

RF ON

UCNs

1.4
1.2

Shutter

Accelerated

Motor
M

0.8

Amp
Timing signal

180 cm

0.6
0.2

He Detector

RF resonance circuit(opposite spin)

1

0.4

Ni Guide tube

Rebunched !

1.8
1.6

MagnetDAQ

360 cmYoke 材質：SS400 (構造材)
中間磁極：SS400+アルミの積層0製作された電磁石00.2 0.4 0.6コイル冷却：間接水冷
0.8
1 1.2 1.4 1.6 1.8

2
TOF [sec]

2011年 2月 23日 水曜日

Blue : Exp. Data
Red : Simulation

Y. Arimoto, et., al.,Phys. Rev. A 86, 023843 (2012).

Rebunching of UCNs was demonstrated !

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page 42+(−) sign corresponds to the case that the electric fie
Pulsed UCN wheretransport

to the magnetic field. The statistical sensitivity to the neutro
Statisticalerror
J-PARC LINACh̄/2√ ,(∆dn )stat =SourceRebuncher
Cell
αET N

UCN counts (a.u.)where N is the number of detected
neutronsis the qphysics run
5000 h inand
one α
year,
simulation

mental setup including the neutron
and the anal
100 s forpolarization
one measurement,
E = 10askV/cm,
α = 0.75, of Ramsey
polarization, which will measured
the visibility
300 UCN/cc( dn )stat ⇥

r

10

100
5000 ⇥ 3600

= 10-27 e cm
N = 1.1 ⇥ 106

distance from source (m)This shows only polarized UCNs
which can be used for measurement.
Small converter is enough.

For example, cylindrical cell with
20cm diameter, 20cm high,

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density = 175 UCN/cc
page 43

Understanding of systematic uncertainties
Simulation of UCN movement
When the randomization of UCN movement in the storage cell
is not perfect, false EDM appears.
We must understand how much the injected UCNs are randomized
in a finite storage time with real surface of the cell.

UCN precision optics
We have developed the simulation tools based on GEANT4.
. Add the reflection law. Incorporate relativistic spin precession. Adopt high precision variable to avoid rounding error

Now we can estimate the false EDM by movement of UCNs
in the cell with actual surface.

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page 44

シミュレーションと良く一致集束できる帯域の拡大などの開発を継続中

Other development items
DLC mirror

論文 出版済み
各機関の広報やWebニュースにて公表済み

0.6
0.4
0.2
0
0

Blue : Exp. Data
Red : Simulation
0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8
2
TOF [sec]

Y. Arimoto, et., al., Phys. Rev. A 86, 023843 (2012).

potential 240 neV
高い反射能力と平滑性をもつDLCミラーを作成
off-specular reflection < 1%

Neutron mirror with 中性子に対する光学ポテンシャル
high reflectivity on
225 neVcomplex shape can be重水素化によってポテンシャル
fabricated using
50% updiamond-like carbon表面粗さはby CVD.
Ni ミラーより格段に良い→ Rebuncher によるUCN 輸送に有効

Hg Co-magnetometer
磁束計を構築中

Hg laserHg laser with power of 1mW/cm2 andfrequency accuracy better than 1MHz canmeasure the magnetic field of the order of
0.1 fT by Faraday rotation method.

Kyoto Univ.

VCN moderator and UCN converter
Injecting Very-Cold Neutrons should be increased before the UCN
converter. Optimization of the shape of moderator is required.
For pulsed UCN, high production rate and fast extraction are better.
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page 45

Development of UCN optical devices
To develop UCN optical devices, our own UCN generator was constructed
at J-PARC MLF BL05 (NOP beam line).
Unpolarized branch

FY2010 1.0 FTE

Test UCN Beam

UCN

VCN
Design of Dopplerbeam
Shiftermirror

Installation of Doppler Shifter

DONE (Apr.2010)

Fabrication of Doppler Shifter
Production of UCN

deceleration

DONE (Oct.2009)

DONE (Mar.2010)
DONE (May 2010)

rotation

0.1 UCN/s (<7m/s)
0.025 UCN/s (4-6m/s)

Doppler Shifter ~ 4,000,000JPY
grant-in-aid of Univ. Tokyo
doppler mirror
shift of Kyoto Univ.
Multilayer
RF Coil + tuner ~ 5,000,000JPY
RF Power Supply ~ 8,500,000JPY
a part of neutron optics research

FY2011 2.0 FTE

Guide ~ 3,000,000JPY
B0 magnet ~ 1,000,000JPY
B0 power supply ~ 1,000,000JPY
a part of neutron optics researchUCN
measuredThree branches of cold neutrons are
extracted through the supermirror bender.

w/ Nifilterhigh Qc mirror for direct reflection
m=10, R=0.4~1 cps @ 120kW

12 Feb. 2014, KMI Topics
Centerfor
Experimental
Studies,
KMIDipole Moment at J-PARC)
Title(Status
Reportof P33:
Measurement of
Neutron Electric
Conf(10th
J-PARC PAC)for
At(Tsukuba)
Laboratory
Particle Properties, Masaaki KITAGUCHI
Date(2010/07/17) by(H.M.Shimizu)

page 46

page

17

Summary
Neutron is suitable for the precision measurement of the small
influence of new physics beyond the standard model of elementary
particles.
Precision measurement of neutron lifetime has started at J-PARC BL05 NOP.
Spin Flip Chopper and Time Projection Chamber enables us to perform
extremely-low back ground experiment.
We are now planning the new nEDM experiment using UCN precision optics
at high intensity pulsed beam facility, J-PARC.
In order to increase the sensitivity of the experiment using UCNs,
UCN optical devices has been developed.
Various experiments are planning and now under developing.

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page 47

複合核共鳴吸収反応
P対称性

P-violation in NN interactionkp

Helicity Dependence of Cross Sectionp

15MeV −(1.7±0.8)×10−7
45MeV −(2.3±0.8)×10−7
45MeV −(1.3±0.8)×10−7
800MeV −(2.4±1.1±0.1)×10−7

非対称度〜10-7

Epithermal Neutron Capture Reactions

P-violation 増幅率〜106nA

0.097±0.003
of p-wave resonancecross section~ 2% of total cross section

139La(E =0.734eV)n

複合核共鳴〜10-1

81Br(E =0.88eV)n
111Cd(E =4.53eV)
n0.021±0.001−(0.013+0.007−0.004)

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page 49

複合核共鳴吸収反応
T対称性でも同様の増幅効果がある可能性がある

neutrontargetspin
spin
neutronmomentummeson交換によるEDM（chromo-EDM）のみ着目

nnEDMの上限値

はAに対応より高い精度で測定すると、
nEDMより高感度で新物理探索

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page 50

複合核共鳴吸収反応
T対称性

Gudkov, Phys. Rep. 212 (1992) 77w⇥CP = (J)⇥P
v
gCP/gP

T-violation

P-violation

10-3 10-2σtot

測定すべき非対称度

EDM upper bound
θQCD

w
v

1

10-2

10-4

Weinberg

10-6

10-8

10-10

LR symmetry
CKM phase

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page 51

複合核共鳴吸収反応
T対称性

Gudkov, Phys. Rep. 212 (1992) 77w⇥CP = (J)⇥P
v
gCP/gP

T-violation

10-3 10-2σtot

測定すべき非対称度

1
3(J = I + ) =2
2 2(J = I1)=
2

2I + 1
2I + 3

2I + 1(2 Ix(2I 3) 2I + 3x

3

(2I + 1) I

2 2

(I + 1)(2I

x =

n
p,1/2
n
p

2

P-violation

1)

2I + 3y)(2I + 9) Iy

2 I + 1x + 2I 1y(I + 3) 2I 1x + (4I 3) I + 1y

y2 =

n
p,3/2
n
p

x +y =1x = cosy = sin2

2

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page 52

複合核共鳴吸収反応
T対称性

Gudkov, Phys. Rep. 212 (1992) 77w⇥CP = (J)⇥Pv
T-violation
測定すべき非対称度

gCP/gP

P-violation

10-3 10-2σtot

x = cosy = sin
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page 53

複合核共鳴吸収反応
d
d

1
=
2

a0 + a1 kn · k + a3 (kn · k )

2

2

a0 =

|V1 (Js )| +Js

a1 = 2Re
Js ,Jp ,j

a3 = Re2Js ,j|V2 (Jp j)|

1
3

Flambaum, Nucl. Phys. A435 (1985) 352

1
V1 (Js )V2 (Jp j)P (Js Jp j1IF )
2

2
0
2

V2 (Jp j)V2 (Jp j )P (Jp Jp jj 2IF )3 10
Js ,j,Jp ,j

1
V1 =
2ks

Es
E E

1
V2 (j) =
2kp

Ep
E

g ns
Es + i s /2

P (JJ jj kIF ) = ( 1)J+J +j +I+F

n
pj
n E
p

3
2

1

1

1
2

1
2

j

j

n,γの角相関からφが求まる

g np
Ep + i p /2

V2(j=1/2)=xV2
V2(j=3/2)=yV2(2J + 1)(2J + 1)(2j + 1)(2j + 1)

12 Feb. 2014, KMI Topics
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Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHI

j
I

j
J

j
J

page 54

k
F

1
J

1
J

複合核共鳴吸収反応
MEASUREMENT OF NEUTRON-CAPTURE CROSS SECTION with 4πGe at ANNRI

Cluster-Detector

BGO-Detector

m
5
.
1
2
=
eter at L

m
o
r
t
c
e
p
Ge s

Prompt-γ

The 4πGe spectrometer*Two Cluster Ge detectors with BGO
anti-coincidence shields were used.
*One to Eight coaxial Ge detectors canbe installed.

neutronBGO-Detector

Cluster-Detector

The beam condition* 120 kW, 25 Hz, Double-Bunch* Notch filters: Mn, Co, In, Ag, Cd

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page 55

複合核共鳴吸収反応
Experimental
Apparatus
実験の概念図Dynamically
Polarized
Proton Filter
as Neutron
Polarizer

Spallation
NeutronSource20Hz
p 500MeV ~5µA

spallation

biological shield
beam monitor

Superconducting
Magnetic Shieldsuperconducting magnet 2.5T

238U

γ

TargetNeutron
Detector

Rotatable

γ-ray
Detectors

collimator

H2O
moderation

10B loaded liquid
scintillator

collimator

Adiabatic Passage

BaF2

Adiabatic Passage

Adiabatic Passages

Transmittance
Monitor

偏極熱外中性子
Polarized Neutron Source

Ti-sapphire

Ar laser

偏極核標的
スピン制御
Target station

12 Feb. 2014, KMI Topics
Center for Experimental Studies, KMI
Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHI(偏極解析)
Ti-sapphire

Ar laser

NeutronSpin
Analyzer

page 56

複合核共鳴吸収反応
Experimental Apparatus
Dynamically
Polarized
Proton Filter
as Neutron
Polarizer

Spallation
NeutronSource20Hz
p 500MeV ~5µA

spallation

biological shield
beam monitor

Superconducting
Magnetic Shieldsuperconducting magnet 2.5T

238U

γ

TargetNeutron
Detector

Rotatable

γ-ray
Detectors

collimator

H2O
moderation

10B loaded liquid
scintillator

collimator

BaF2

増幅効果が大きければ
Transmittance
Monitor
新物理の探索感度が急激に向上しうる
Adiabatic Passage

熱・熱外中性子の偏極と制御

Adiabatic Passage

Adiabatic Passages
Ti-sapphire

Ar laserターゲット核を偏極

熱外中性子
偏極解析

動的核偏極
Ti-sapphire

κ(J)の大きな原子核の探索

Polarized
Neutron
J-PARC MLF
BL04 Source
での (n, γ)測定

Ar laser

Target
進行中station
κはxの関数P非対称度

NeutronSpin
Analyzer

xは(n,γ)測定で分かる

CPを破る行列要素 w
新物理が核子間相互作用に与える効果のモデル計算

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page 57

nHe/nH~1/4

nB/nγ~10-9

B=0

B-L violation

Extra Dimension

primordial nucleosynthesis

n-n oscillation

Sphaleron process

B>0

EDM / n-A T-violation
CP violation

中性子-反中性子振動
neutron lifetime

Large Extra Dimension
強い相互作用
重力相互作用Neutron Interferometry etc.

弱い相互作用
電磁相互作用ハドロンの誕生

原子核の誕生
原子の誕生
物質の誕生

現在

中性子反中性子振動
Sakharovの3条件

1. B非保存
2. C, CP非保存
3. 熱平衡からのズレ
for SM and MSSM
SU(5) GUT Baryogenesis
Leptogenesis

ニュートリノ質量は極めて小さい
Seesaw Mechanism
重い右巻きマヨラナニュートリノ
崩壊

両反応のレートが異なるとレプトン数が保たれない→ Sphaleron → バリオン数

Electroweak Baryogensis
KM行列だけではCPの破れが小さすぎる

etc.

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page 59

中性子反中性子振動
ΔB=-2
ΔL=0

L = ψ Mψ# n&ψ =% ($n '€n1,2 =# E 0 c δm &M =% 2($ c δm E 0 '2

m1,2 = mn ± δm
2c δm
I(t) = I(0)sin
t
h
€
2

€

€

1
n ± n )(
2€€

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page 60

中性子反中性子振動
T
N

FOM∝NT2
0.95(4.8 0.2)π(200-250MeV)

0.05

free neutronτ nn ,free > 8.6 ×10 7 s (CL = 90%)

L = ψ Mψn1,2 =# n&# E 0 c 2δm&
ψ =% (
M =% 2(€n$ '$ c δm E 0 '€m1,2 = mn ± δm
2c δm
I(t) = I(0)sin
t
h
€
2

€

€

1
n ± n )(
2€
12 Feb. 2014, KMI Topics
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Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHI€

page 61中性子反中性子振動
T
N

FOM∝NT2
0.95(4.8 0.2)π(200-250MeV)

0.05

τ nn ,free > 8.6 ×10 7 s (CL = 90%)
M.Baldo-Ceolin et al., Z. Phys. C63 (1994) 409.

€

Ω ~ 2π

12 Feb. 2014, KMI Topics
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60 µsrpage 62中性子反中性子振動
Figure of Merit ∝ N t2

TRIGA Very Cold Vertical Beam, 3 years
TRIGA Cold Vertical Beam, 3 years

Focusing optics
Super-K reachfor shooting the annihilation targ
Cold Beamwithout touching the boundary othe long free-ﬂight path

12 Feb. 2014, KMI Topics
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Laboratory
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Date(2008/06/20)
by(H.M.Shimizu)

page 63中性子反中性子振動
neutron source

Fermilab ProjectX
NNbarX
acceptance is dominated here

reﬂection angle is well-deﬁned
band reﬂector is applicable

12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 64

中性子反中性子振動
neutron source

Fermilab ProjectX
NNbarX
acceptance is dominated here

光学系設計が強度増加の鍵
日本グループの貢献が期待されている

reﬂection angle is well-deﬁned
band reﬂector is applicable

12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 64nHe/nH~1/4

nB/nγ~10-9

B=0

B-L violation

Extra Dimension

primordial nucleosynthesis

n-n oscillation

Sphaleron process

B>0

EDM / n-A T-violation
CP violation

重力neutron lifetime

Large Extra Dimension
強い相互作用
重力相互作用Neutron Interferometry etc.

弱い相互作用
電磁相互作用ハドロンの誕生

原子核の誕生
原子の誕生
物質の誕生

現在

未知短距離力・重力

二つの陽子

重力

弱い力

電磁力

10-36

10-7

1

強い力

20

何故重力だけが極端に弱い？
Gravity is not renormalizable.
Gravity is the nature of space time.
Gravity is essential at the Planck scale.

12 Feb. 2014, KMI Topics
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page 66

未知短距離力・重力
中性子は重力を感じる

Dabbs et al., Phys. Rev. 139 (1965) B756

gloc = 9.7974 m s-2

g = 9.74 0.03 m s-2

Gregoriev et al., Proc. 1st Int. Conf. Neutr. Phys., Kiev, 1 (1988) 60

g = 9.801 0.013 m s-2
gloc = 9.814 m s-2

12 Feb. 2014, KMI Topics
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未知短距離力・重力
中性子は重力を感じる

λ=0.1445nm

a=0.2cmd=3.5cm
θ=22.1

Collela, Overhauser, Werner, Phys. Rev. Lett. 34 (1975) 1472
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未知短距離力・重力V(r)=-(GM/r)(1+αe-r/λ)

12 Feb. 2014, KMI Topics
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未知短距離力・重力V(r)=-(GM/r)(1+αe-r/λ)

12 Feb. 2014, KMI Topics
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r

空間における重力V(r)=-(GM/r)(1+αe2N次元空間における重力m
未知短距離力・重力
1m 2
F3 (r) = G3 2
m1m2
r FN (r) = GN N −1
空間における重力rr=R*において接続
m
m
1
2
€
FN (r) = GN GN3 −1 GNGNG3 =r 2 = N −1
N −3

R*
R*
おいて接続３次元空間における重力

R*
-r/λ)
V(r)=-(GM/r)(1+αe

mG
1m 2
GN €
F3 (r)= G3 2N
R*がプランク長よりも長いと、G
r N −3 Newton重力からのズレを探索する
3 =N −1
N次元空間における重力R*
R *G3が小さくなる
m1m2
FN (r) = GN N −1 €€r
プランク長よりも長いと、大きな余剰次元モデル
r=R*において接続
€
L
G
G
G
G3が小さくなる=G =R*
３次元空間における重力€ R* R*
3
2

€

€

N
N −1

)

V(r)=-(GM/r)(

N
N −3

3

R*がプランク長よりも長いと、G3が小さくなる€L

m1m2
F3r(r) = G3 2r

N次元空間における重力L余剰次元では運動量は2π/Lを単位として量子化されている−(2 π k / L )r
V
(r)
e
1
m1m2
= G3 ∑
G3 
r
→
F
(r)
=
G
r
余剰次元方向に運動量(q)で飛び出すN , q , ...,q N
N −1
m1m2
r
r 2
r<<L
(k1 ,…kn )rgravitonは、質量|q|を持っているように見えるV (r)e1 −(2L π k / L )rnr=R*において接続
=
G
G
d
ue


∑
∫


→
er  2πr 
1 L
Date(2008/06/20)
by(H.M.Shimizu)−u€n
次元では運動量は2π/Lを単位として量子化されている
m m V (r)
r
=
G
G
d
ue
G
GN
GN
Title(中性子の基礎物理) ∫N次元のうち3次元以外は
3 ∑
3 
3
→
余剰次元方向に運動量(q
,
q
,
...,q
)で飛び出す=G=
コンパクト化されているConf(KEK金茶会)
3mmrr  2πr 
r<<L
(k1R
,…k
)
R *2 R *N −1 1 2
*Nn−3
1

2

n

−(2 π k / L )r

余剰次元では運動量は2π/Lを単位として量子化されているn3

余剰次元方向に運動量(q1, q2, ...,qn)で飛び出す
gravitonは、質量|q|を持っているように見える

1

n

1

2

−u

3

(k1 ,…kn )r<<L

Date(2008/06/20)
by(H.M.Shimizu)
2nTitle(中性子の基礎物理)

Conf(KEK金茶会)
pagegravitonは、質量|q|を持っているように見える
page

9

9

€
R*がプランク長よりも長いと、12 Feb. 2014, KMI Topics
G3が小さくなるCenter for Experimental
Studies, KMI€ Properties, Masaaki KITAGUCHI
Laboratory for Particle€
Date(2008/06/20) by(H.M.Shimizu)€

Title(中性子の基礎物理)
Conf(KEK金茶会)
page

9

€

€

page 71

未知短距離力・重力
希ガスによる小角散乱λ~10nmのオーダーの測定が可能

重力を含めた断面積

12 Feb. 2014, KMI Topics
Center for Experimental Studies, KMI
Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHIaG∝αpage 72

1025 1025ある。感度見積もりの詳細は4.2 節で述べる。
EXCLUDED
EXCLUDEDREGIONREGION合、重力相互作用のポテンシャルの式において 1/r 型の項の他に
10 10
九大・名大・KEK・Indiana
Univ.
（短距離重力）10 10相互作用が付加されることが予想される。従って、物体 m1 、m2
LIMITS ON EXTRA FORCE
10 10
V.V
α-λ 制限領域
く重力相互作用と未知の相互作用を合わせた重力ポテンシャルの
EXCLUDEDREGION101010.
N
中性子散乱の角分布を精密測定
esvizh、未知の粒子のコンプトン波長 λ と結合定数 α を用いて
10
10
evs
短距離力を含んだポテンシャルによる散乱は前方ピークを持つk
10 10
natXe : 1day y, P
m1 m2
RD
−r/λ
10
77
10
10
V (r) = G
(1 + αe
)
(1)
(20
nat
r
Xe : 100day
06
10 10

未知短距離力探索

24

24

23

23

22

25
22

21

24
21

20

23
20

19

22
19

18

21
18

17

20
17
-10

Coupling constantCoupling|α| constant |α|Coupling constant |α|

V.V. Nesvizhevsky,
V.V. Nesvizhevsky,
Phys. Rev. Phys.
D 77, Rev.
(2008)
D 034020
77, (2008) 03
Xe-nat ; 1-day
Xe-nat; 1σ ; 1-day ; 1σ

Xe-nat ; 100-day
Xe-nat; ;1σ100-day ; 1σ
Xe-nat ; 2-year
Xe-nat; 1σ; 2-year ; 1σ

V.V. Nesvizhevsky, Phys. Rev. D 77, (2008) 03
Xe-nat ; 1-day ; 1σ

Xe-nat ; 100-day ; 1σ
Xe-nat ; 2-year ; 1σ10 10-101019 nat10-9 10-9

10-8 10-8-9-8

Xe : 2 year

) 0 10 10
340
20.
-7

ComptonComptonlengthlengthλ [m]λ [m]-7される。これまでに行われて来た検証実験では上式における重力10乗則からのズレを表すパラメータ (λ, α) の存在領域の制限として
10
789
図図
1: 1:
シミュレーションによる到達感度予想。横軸は未知のコシミュレーションによる到達感度予想。横軸は未知の
10
10
10
10
<=11"$",5=4;02$.3303"25=.,
Compton length λ [m]!"#$""ている (図 1 参照)。我々は、これまでの限界を打ち破り、これま
長長λ、縦軸は未知の結合定数λ、縦軸は未知の結合定数αを表す。点線、破線、点破線
αを表す。点線、破線、点破
%
&
'
(
)
*%
*&
*'
!! !*'56
希ガス原子の中性子散乱を測定!!
されたスケールより更に微小なスケール（∼1nm）における重力
微分散乱断面積日、日、100100日、日、
2 年の実験による到達感度予想である。黒の実線
2 年の実験による到達感度予想である。黒の実
図 1: シミュレーションによる到達感度予想。横軸は未知の!! 4'
NOPの大強度ビーム＋Xeターゲット
による排他領域を示し、青色の曲線は既存の中性子散乱実験デによる排他領域を示し、青色の曲線は既存の中性子散乱実験
則の検証実験を立案している。本実験は、低エネルギーの中性子
!! 3)
-3
長
λ
、縦軸は未知の結合定数α を表す。点線、破線、点破!
200。
→などの希ガス標的に入射させて、散乱した中100日でα=10 に到達!! 3'
析によって得られた排他領域である
析によって得られた排他領域である
[1]。
[1]
1
希薄な Ar、Xe、Krx
日、100 日、2 年の実験による到達感度予想である。黒の実
!! +)
t.
t
neutron!! +'布を測定する極小角散乱実験装置を応用したものである。数ミク
caによる排他領域を示し、青色の曲線は既存の中性子散乱実験
S
!!
beam
r
NOP低発散ビームで
phase
1
開始
*)
a
のスケールは原子を用いた実験では原子間力の影響のために原理!!
析によって得られた排他領域である
[1]。
le
c
*'
Cross section
!!
u
Gas
N
が不可能であるが、低エネルギー中性子散乱はこの問題を回避す!! )3 3
target
Si窓全断面積
'(')
'(*
'(*)
'(+
'(+)
可能であり、サブミクロンスケールで重力相互作用を検証するほ! '!!"#$%&!
青線：モデル計算
バックグラウンドに
青点：NOP実測
α=1023 λ=0.5 nm En=20 meV
手段と考えられる。
なるSi窓の散乱を確認
3は、
図 2: 中性子散乱の角度依存性。短距離重力 (赤線) は前方
大強度ビームでの実験で下限値を下げていくを持ち、核力の散乱（青破線）と区別できる。
2
非偏極ブランチに移設、ビーム輸送系更新＋大型散乱槽
1817

中性子断面積測定実験

-7

力

短距離

第5章

56

! %$ 2+"!/0.1!,!"-$#.&%#-10+,-,./,01.$2"0324556
9:2;"4$03245560!0*%78

Cross section [barn]

れており、よい一致をみせている。2 Å 付近が大きな誤差を持っているのは、

Robert M. Brugger, NIM 135, 289 (1976) (293 [K])1.4

Absorption

Thermal diffusel
Total

A.K. FREUND, NIM A234 116 (1985) (293 [K])1.2

Absorption

Single phonon

Thermal diffuse

1

Total

0.8
0.6
0.4
0.2

2D neutron
Detector

00.1

図 5.23

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7
0.8
0.9
Wavelength [nm]シリコンの透過率測定の結果。青色の曲線は Freund 等による近似曲線 [17]。

赤色の曲線は Brugger による近似曲線 [20]。

!
!

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標的ガス
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5.7 散乱断面積測定!入射中性子Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHI
φ10 mm の Cd 板を用いて、統計量を増やして中性子ビームをシリコンに入射した。この時、検出器がビームのフラックスに耐えることが出来ない為に、真空槽の下流窓に LiF!

!次元中性子検出器

散乱中性子

page 73

散乱角!

逆!乗則

微分

単結晶による干渉計
干渉計による重力
多層膜冷中性子干渉計

多層膜干渉計結晶格子による回折結晶格子による回折

熱中性子

~1A

L <10cm
~

大

型

化

1

配

L <10cm
~

2

が

~1A

可

能

置

性子

い

Si 単結晶による干渉計

難し層膜冷中性子干渉計
未知短距離力・重力

４枚のミラーが原理的に並んでいる

決まった波長しか使えない
４枚のミラーが原理的に並んでいる

決まった波長しか使えない結晶の大きさに限界がある結晶の大きさに限界がある
動的回折で経路が決まらない

動的回折で経路が決まらない

多層膜ミラー
ギャップ層
多層膜ミラー
H. Funahashi et al,
Phys. Rev. A54(1996) 649

12 Feb. 2014, KMI Topics
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Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHI

page 74

未知短距離力・重力

大きな“ すきま” をもつBSE ZERODURE

干渉計による重力2経路分離の確認
14 mm
neutronbeam

189 Pmpath2

cadmiumSplate OHe-Ne/100

2nd
BSE

c
p

I54 mmflipperpolarizer

2nd
BSE

Sflipper

path1
detector

 OHe-Ne
1st/100

8BSE

328 r 9 Pm
131 r 17 Pm

142 r 11 Pm(FWHM)(FWHM)

preliminary12 Feb. 2014, KMI Topics

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page 75*$ 20

未知短距離力・重力
干渉計による重力BSE

counts / 75 sec.

10Pm*(&+,)/31201 67%*


Y. Seki et al.
J. Phys. Soc. Jpn. 79(2010)124201.
pi-flipper phase [deg.]

%2!.

"'-



12 Feb. 2014, KMI Topics
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Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHI

16

page 76

未知短距離力・重力干渉計による重力

λ~10μm のオーダーの測定が可能

干渉計の片経路の重力ポテンシャルを位相シフトから検出
位相安定性、マイクロビームの強度

ビームとのギャップを1μmまで近づけられれば（ビーム断面も同程度）ADD
N=3 の検証の可能性がある

12 Feb. 2014, KMI Topics
Center for Experimental Studies, KMI
Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHIADD N=3

page 77

未知短距離力・重力干渉計による重力

λ~10μm のオーダーの測定が可能

干渉計の片経路の重力ポテンシャルを位相シフトから検出
位相安定性、マイクロビームの強度

位相シフトの見積もり
実現可能性を議論中
ビームとのギャップを1μmまで近づけられれば（ビーム断面も同程度）ADD
N=3 の検証の可能性がある

12 Feb. 2014, KMI Topics
Center for Experimental Studies, KMI
Laboratory for Particle Properties, Masaaki KITAGUCHIADD N=3

page 77

まとめ

中性子を用いた基礎物理実験は様々な実験と互いに制限をつけ合う

波及効果は大きい中性子物理

12 Feb. 2014, KMI Topics
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