冷却不安定原子を用いた電子の電気双極子能率探索1...
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1
冷却不安定原子を用いた電子の電気双極子能率探索
酒見 泰寛
東北大学 サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター
1.背景2.冷却不安定原子によるEDM探索
3.実験装置開発の現状4.今後の展望
2
経緯:・ Prof. Masaike and Prof. Yabusaki at Kyoto ~ Fr EDM discussed ・ 今井さん ~ 京大タンデムでのFr生成検討・ 2004年 高橋(量子光学)、Das(EDM理論) ~ Fr EDM search実験計画・ 2005年 阪大・RCNP ~ Fr生成テスト開始・ 2006年 Rb MOT・ 2007年 東北大・CYRIC ~ Fr生成用ビームライン整備・ 2009年 新学術領域研究「極限量子」 領域代表者:笹尾さん 発足
・ 実験装置の開発~進行中
国内のEDM探索計画・ muon g-2/EDM ~ Prof.Saito at KEK・ neutron EDM (UCN) ~ Prof. Masuda at KEK・ Xe EDM ~ Prof. Asahi at Tokyo Tech. ・ Yb EDM ~ Prof. Takahashi at Kyoto ・ Fr EDM ~ Sakemi at Tohoku・CYRIC・ ……
3
Physics motivationUnderstanding the baryon asymmetry in the Universe → requires extra CP-violation
Search for the phenomena beyond the standard model ~ EDM
Jr
dr T
J−r
dr CPT ~ No evidence of violation
T: Time Reversal ~ No evidence of violation CP: violation was found ~ K0, B decayCPT theorem + CP violation → T violation ?
e EDM from standard model : 3 loop diagram with de = 1 loop-diagram ~ no EDM + 2 loop ~ no EDM + gluonic correction
+ +e
e
γ
e
e
eL eL
eR eR
ν
W
Wf
f
f
b
bb
eR
eL
W
W W
uj
dj
Lowest order where EDM appears Estimation ~ 10-37 e・cm
電子の電気双極子能率 (Electric Dipole Moment : EDM)
時間反転対称性(T)の破れ
4
EDM and MSSM
Phase pattern~ limit the SUSY particle mass, phase
2
sin~
Mμθ
Small SM background (via CKM phase)
< 10-37 e・cm
位相パラメータの相関図
MSUSY=500 GeV
5
Some EDM measurements
EDM Experiments WorldwideSystems where EDM have been looked at are fundamental particles, atoms and molecules
11 orders of magnitude larger than the Standard Model prediction.
6
Origin of the EDMs
TeV
Energy
QCD
nuclear
atomic
Fundamental CP phases
pion-nucleon coupling ( )
EDMs of paramagnetic atoms (dFr )
EDMs of diamagnetic atoms ( )
Neutron EDM ( )
Ref. Maxim Pospelov and Adam RitzAnnals Phys.318:119-169,2005
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Theoretical prediction
de(Standard Model)<10-37
⇒ No background of the contribution from the standard model
8
不安定原子を用いたEDM探索
不安定原子核
陽子数が多い~電荷が大きい原子中に極端に大きな電場を形成微小な現象を見る顕微鏡
EDM探索:
電子に電場をかけて応答を見る
放射性元素~崩壊崩壊粒子を測定高精度観測
8
8
20
20
50
50
126
82
82
28
28
最大のアルカリ原子210Fr
9
EDM Measurement and Sensitivity
EdhEdBhEdBh
⋅=Δ⇒
⋅−⋅=
⋅+⋅=
↑↓
↑↑
42222
νμνμνE E
Electric dipole moment : d
System containing EDM
K×deAmplified !Example: d=10-25 e cm, E=10 kV/cm, ωe = 10-6 Hz
TNEKehd
⋅⋅⋅⋅⋅=
τδ 111
2Sensitivity
電子EDM増幅度
大きい原子大強度表面イオン化器
レーザー冷却磁気光学トラップによる偏極保持時間の向上
フェッシュバッハ共鳴を用いた極性分子生成
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EDM search ~ Francium atom
Le~
γ
e e
Re~
bino
Le~
γ
e e
Re~
bino電子
超対称粒子
Fredr
電子EDM ~ 微弱な信号を増幅する機構 ~ 原子
eFr ddrr
×=1150
20
25223 )0(~~~aeVZZ
ddK s
e
atom αψα
Enhancement factor
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 20 40 60 80 100
K
Char
ge :
Z
Enhancement factor simple
Rb Xe Cs
Tl
Fr
Enh
ance
men
t fac
tor
フランシウム:原子量最大のアルカリ原子 ~ 放射性元素電子EDM増幅度~最大原子構造~Simple
電子EDMの増幅度最大の原子~フランシウム
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Journey of EDM search
A challenge is set ! de < 10-28 e・cm
No experiment of the EDM search for the cooled radioactive atoms
12
13
従来:原子ビームを用いた測定本計画:原子を冷却・トラップして測定
フランシウム(210Fr : 放射性元素)をレーザー冷却・トラップして高精度測定
~10-3 secτ:コヒーレンス時間~102 sec
~10-27EDM (e・cm)~10-28 以上
585K:増幅度1150
Tl(world record)210Fr
電子EDM増幅度最大の放射性元素:210Fr を原子核反応により生成.レーザーによる210Frの冷却・トラップによりコヒーレンス時間増大.測定感度 600倍以上の向上~次世代のEDM探索方法.
磁気光学トラップ装置(MOT)
EDM search ~ Laser trap
レーザー
1 nK 1 μK 1 K1 mK 1000 K室温液体4He液体3He
レーザー冷却蒸発冷却
温度
BECFD
Fr原子をレーザー冷却で数μKに冷却し、トラップする
→ 長い相互作用時間を実現できる。測定感度の飛躍的向上
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Presented by Dr.Giulio Stancari @ INFN Ferrara at ISOLDE workshop at CERN, Feb.2006
Fr from the decay of 225Ac
( shutdown )
→ to CYRIC
→ focus to Atomic Physics
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レーザー冷却フランシウム源の構成
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加速器
ターゲット(thin)
破砕核分析装置
蓄積リング・冷却
In Flight ISOL重イオンビーム 陽子・軽イオンビーム
高エネルギーGeV/u (μs)
experiment
低エネルギー・冷却meV to 100 MeV/u(ms to several s)
質量分析器
gas catcher (ms)
IGISOL (ms)
ターゲット
experimentHigh precision
experiment
レーザー冷却・トラップ
ターゲット(thick)
イオン源(high temperature)
2つの不安定核生成方法
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Francium production
18O+197Au Fr production
0.01
0.1
1
10
100
1000
50 70 90 110 130
beam energy (MeV)
Cro
ss s
ecti
on (
mb)
212Fr 211Fr 210Fr 209Fr 208Fr
18O+197Au
19F+198Pt Fr production
0.01
0.1
1
10
100
1000
50 70 90 110 130
Beam Energy
Cro
ss S
ection (
mB
)
212Fr 211Fr 210Fr
19F+198Pt
210Fr ~ 3min.
212Fr ~ 18 min.
Fusion Reaction :Statistical model calculation
18O + 197Au → 207-211Fr + Xn
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=+
kTEE
nn IPWFexp
21
0
標的 : 金 (Au) ~ EWF(5.1eV)>EIP(3.8eV) → Fr+ イオン
イオンと中性原子の生成比率:
EWF:仕事関数EIP:イオン化ポテンシャル
FrRn
At
Po
Bi
209 210 211
206 207 208
209 210
207 208
204 205 206
Ionization Potential (eV)
3.83
10.748
9.65
8.43
7.289
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CYRICサイクロトロン・ラジオアイソトープセンター(CYRIC)
1. 耐震補強工事~2010年・2月末日終了予定2. 空調機(フィルターチェンバー)修理~3月にずれ込む3. 3月以降~Frビーム輸送系等、設置開始4. ビーム供給再開~3月後半以降~企業の半導体照射優先5. サイクロ運転:Fr生成装置テスト再開~4月以降6. 10GHz ECRイオン源~再開後テスト開始~18O beam増強~1 uA7. High intensity laser cooled Fr factory インフラ整備
① レーザー光源部屋の整備進行中~2月末完了② 光ファイバー等の敷設~2月初旬③ Swinger磁石の復旧・修理~3月~4月④ MOT/EDM測定室の整備
①レーザー光源部屋
③Swinger磁石
④MOT/EDM測定室
②光ファイバー~150m
High intensity laser cooled Fr factory
1 4 7
10
13
16
19
22
25
28
31 n
1
10
100
1000
10000
event(arb. unit)
energy (MeV)
particle
emitted particles
n p alpha gamma
Neutron ~ a few MeV⇒ damage to detector (CCD etc..)⇒ MOT should be located
far from production target
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Surface ionizer at SUNY/LNL
197Au disk on W support rod 1200 K for surface ionizer 3 kV to extract Fr+ ion Fusion reaction : 197Au(18O,xn)215-xFrFocusing elements ~ design with 3d field calculationBeam emittance estimation ~ good transport efficiency 30 mg/cm2
Fr production
100 mg/cm2 ~50 um
18O Beam
Au (just below the melting point)
W(Tungsten rod)
Beam emittance
Surface ionizer + Focus elements
Extracted Fr beam
SUNY LNL
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ターゲットロッド
オーブン
金ターゲット
外追い返し電極
内追い返し電極
Fr+ Fr+ Fr+Fr+
9cm
熱反射板
引き出し電極
Surface Ionizer
オーブン型の構造:融合反応により生成したFrを閉じ込め引き出し電極のサイズを調整して小エミッタンスのFrビームを実現
18O + 197Au → 207-211Fr + Xn
ビームエミッタンス~20πmm・mrad
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Surface Ionizer for Fr production
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表面イオン化器加熱テスト
オーブン 600℃ 中心 700℃
部分的に融解した金ターゲット
23210Fr引き出し効率 0.29% (世界最高 イタリアLNL 30%)
金ターゲット中のFr生成量引き出し効率(%) =
引き出したFr×100
coun
t
coun
t
210Fr (6.543MeV)
206At(5.703MeV)
210Fr(6.543MeV)
Results ~ present status
210Fr収量 4.1×104 atoms/sec (世界最高 イタリアLNL に並ぶ)
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フランシウム収量 ~104 Fr+/sec ~world record にほぼ並ぶ。 ~ 最大瞬間風速引き出し効率 : 0.3 %~0.003% 非常に小さい。
原因 :① オーブン(Ni)の表面処理 → 仕事関数が変わる。 ⇒ 化学的安定な物質
② オーブンの温度~低い。 → イオン化効率が低い。 ⇒ オーブンの高温化③ 引き出し電極による電場 ⇒ 電極形状・構成の最適化
Results ~ Fr production yield
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 50 100 150
Run number
収量
(count/
sec)
~ beam intensity
World record at LNL/Italy
Extraction efficiency
Simulation with single track
Exp. data (target:1286K)
Exp. data (target:820K)
ターゲット温度
電場構造
オーブン温度
25
Frイオン生成~一次ビーム入射方法
• 106 ion/secのFr+イオン引き出し
– 18O5+ - 100MeV ビームを 2μA程度で金標的に照射する必要あり
• ターゲットの冷却機構がない場合、金標的が溶ける
• 冷却→Frイオンの引き出し効率が悪化
• 融点近くの温度を維持したまま照射する必要あり
18O5+ beam
重力で落ちる
金標的
金標的が溶けた後の状態
• ビームを垂直、または45度方向から照射
– 重力による溶解した金標的の落下を防ぐ
– 融点付近の温度コントロールが容易に
• CYRIC ビームスインガーの利用(第一期 ~ 2010年度)
– 磁石電源更新~今年度中
– 4月までに復旧・真空槽改良
~現在横倒し~縦置きに配置
– 5月にビーム輸送テスト
• CYRIC Fr生成専用コース
(第二期 2010年度以降)
金標的
18O5+ beam
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改良中のFrイオン源
45°入射スウィンガー磁石
表面イオン化器
Rb入射系(オーブンその他)
金ターゲット
Frイオン
表面イオン化器の構成要素
18Oビーム Rbビーム
Frイオン
オーブン
ターゲット
アインツェルレンズ
引き出し電極
冷却機構付きターゲットロッド
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18Oビームの垂直入射
縦置き表面イオン化器
Swinger磁石の復旧~3月~4月
28
ビーム輸送系の高真空度実現へ向けて
1. 境界条件:~表面イオン化器(10-6 torr)~MOT(10-9)
2. 電極等、構造をもつダクト内部のアウトガス軽減~石英ガラス管を電極内部に配置
3. コンダクタンスの悪い場所を複数配置し、段階的に真空度を上げる構造。~ダクトのサイズ等、検討中。
4. 設計~12月までに完了5. 製作完了~3月6. 動作試験~3月末
収束電極~真空容器~2重構造 Differential Pumping
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Fr ビーム輸送系
DL2 DL4DL3Q2 Q4Q3
ThermalIonizer
850 850 850 100030004697
TMPTMP
Wall
Wall
1250
Neutralizer500D1
18O Q1
200
100
200
200
430
300
・ビームライン全体の配置
イオン光学計算
第5ターゲット室
Swinger磁石
TOF室
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|g>
|e>v
Principle of Laser Cooling1. Absorption of a right photon
2. Emission of the photonkick
|g>
|e>v
resultant kick along the direction of the absorption
Force = Pdp kdt
γ= ×h
Photon carries energy and momentum
3. Absorption of photons from a laser beam
no preferred direction for emission
E=ħωp = ħk
|g>
|e>
many photons
Typically an atom needs to scatter ~105 photons for slowing down
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レーザー冷却と磁気光学トラップ(MOT)
ドップラー限界温度B
D kT
2Γ
=h
λ Γ/2π TD TR
87Rb 780 nm 5.9 MHz 145 μK 0.36 μK210Fr 718 nm 7.6 MHz 187 μK 0.18 μK
リコイル限界温度 2
222 1λM
hkMk
kTBB
R ==h
Trap: 718nm Repump: 817nm
F=11/2
F=13/2
F=9/2F=11/2F=13/2F=15/2
46.8 GHz
397 MHz500 MHz617 MHz
7s2S1/2
7p2P3/2
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ECLD+Taper amp. for Rb trap
MOPA configuration : Master oscillator ~ ECLD ~ 10 mWPower amplifier ~ Taper amp. ~ 1 W
ECLD
Taper amp.
Collimation Lens
LD
Gratingピエゾ素子
LensLens TA
Peltierdevice
ECLD Taper amp.
LD
Grating
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
テーパーアンプの電流値[mA]
Pow
er[
mW
] 1W 達成
795 nm, 817nm 用の光源を製作
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3.8mmTrapped Rb atoms
Size ~3.8mmLifetime ~12 min. without lock circuit
Rb MOT
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Atom EDM search
~10-27Best limit Atomic beam205Tl (e)California / LBL
MOT+Laser Trap
MOT+Laser Trap
MOT
MOT/Penning
MOT
Trap
Takahashi171Yb (p) Kyoto
AsahiXe (p)Tokyo Tech.
TISOLTRIUMF
~10-28This experiment210-212Fr(e)Tohoku・CYRIC
First beam Ra (p)TRImPKVI
Atomic structure210FrSUNY
Goal Status Elements ProjectInstitute
Dy,Sm,Ba
FrYb
205Tl
Ra
129Xe 3P2
Others199HgRn129Xe 1S0Nucleus
OthersFe3+CsRbElectron
Elements EDM
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TRITRIμμPP Combined Fragment and Recoil SeparatorCombined Fragment and Recoil Separator
RFQ cooler/buncher
MOT
AGOR cyclotronIon catcher (gas-cell or thermal ioniser)
Low energy beam line
MOT
DD
DD
Q
Q Q
Q
Magnetic separator
Productiontarget
Wedge
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次世代電子EDM探索の候補: 極性分子
現在の実験技術限界 極性分子内の内部電場E ~ 100 kV/cm → E ~ 1~100 GV/cm
不対電子
-+diamagnetic
atom paramagneticatom
内部電場1~100 GV/cm
tEdRtU ze−=Δ∝θ電子EDM
スピンの角度変化
電場が1000~1000000倍に向上する
異なる原子からなる分子内の電子は、どちらかの原子に少し偏った分布となり、2つの原子がイオンのようになり、内部電場が発生する。
P : 偏極率Eint : 内部電場t : 相互作用時間N : 分子数T : 測定時間(積算時間)
TNEPde τ
δint
h=
paramagnetic molecule
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次世代のEDM探索候補
原子ビーム
EDM測定感度 大
温度が低い (相互作用時間 長い)
分子ビーム
電場強い
レーザー冷却
トラップ原子
トラップ分子
Fr EDM
YbF 実験PbO 実験
レーザー冷却
フェッシュバッハ共鳴
×
38
フェッシュバッハ共鳴と分子生成
R
R
原子A 原子B
B
2原子の初期状態でのエネルギー(open channel)と、スピンの異なる状態(closed channel)での
束縛状態エネルギーが等しいとき、共鳴が起こる。
2原子 分子en
ergy
スピン
束縛状態
ΔE=0のとき共鳴
スピンの異なる状態は、ゼーマンエネルギーの磁場依存性が異なるため、磁場を用いてΔEをコントロールでき、ある磁場でエネルギーが等しくなる。
磁場を断熱的に掃引すると、原子状態から分子状態へ移行する。
磁場を掃引する
初期状態
束縛状態
初期状態
原子間の相互作用
39Rb BEC N=107
Rb原子で他の原子を共同冷却する
Li
KNa Fr
Sr
?
40
フェッシュバッハ共鳴の準備状況
東大・青木さん
Li原子
Li-K分子
2008年Li-K 分子生成に成功 (T = 0.4TF)(Max-Planck、ドイツ)
2009年Rb原子のフェッシュバッハ共鳴観測(東大) (T = 200 nK)
2008年 Rb原子BECで世界最大の原子数107個 実現 (東大)1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011
3.0x105
3.5x105
4.0x105
4.5x105
5.0x105
5.5x105
6.0x105
6.5x105
N (
atom
s)
B (G)
41
冷却・トラップされた極性分子を準備する方法
次世代の電子EDM探索の候補:フェッシュバッハ共鳴により生成された極低温極性分子
不対電子
ー+diamagnetic
atom
paramagneticatom
内部電場約1GV/cm
・現在、極性分子を直接冷却したりトラップするのは難しい (相互作用時間 τ 短い)。
・Fr原子とSr原子を別々にレーザー冷却・トラップ
→ フェッシュバッハ共鳴による分子生成
(ポテンシャルに閉じ込められた相互作用時間 τ の長い、極性分子)
Fr Sr
電子EDM感度
Fr原子:R最大のparamagnetic原子
Sr原子:
レーザー冷却が最も成功しているdiamagnetic原子
τ = 1 s, N = 106, 1 day 積算で、<10-30 e cm
TNEPde τ
δint
h=
42ν
I
Sr原子レーザー冷却のための光源を製作
922 nm 用テーパーアンプ 第2次高調波461nm発生のための
非線形光学結晶と光共振器
Sr原子の飽和吸収信号検出に成功!(ラムディップ) 波長461.862 nm
今後レーザー光源をこの周波数に同調して安定化させる。
ラムディップ
Sr原子吸収信号
冷却遷移461 nm
1S0
1P1
43
To CYRIC from 2010
Relativistic Coupled Cluster Method~ 多体問題の第一原理計算
Fr-EDM理論~電子EDM増幅度の高精度計算
Fr-EDMの
理論計算
44
Rb
Fr EDM enhancement factor の高精度計算~ started
EDM enhancement factor
Core excitation
Valence excitation
45
Collaborators
伊藤 正俊、吉田 英智、高橋 利弥、早水 友洋、及川 明人(東北大学・CYRIC)
青木 貴稔(東京大学)
村上 哲也、今井 憲一(京都大学)
畑中 吉治(大阪大学・RCNP)、若狭 智嗣(九州大学)、内田 誠(東工大)
清水 康弘(東北大学)、H.Nataraj(東北大学・CYRIC)
46
新学術領域研究 「原子が切り拓く極限量子の世界」~素粒子的宇宙像の確立を目指して~ (2009年~2013年)
計画研究B02: 冷却不安定原子を用いた電子電気双極子能率探索
総括班笹尾
計10名
計画研究:A01:笹尾ニュートリノ
計10名
計画研究:A02:川口ナノ貯蔵標的
計5名
計画研究:B01:旭原子核EDM
計7名
計画研究:B02:酒見冷却不安定原子EDM
計10名
計画研究:C01:杉山微細構造定数
計4名
ナノ空間貯蔵原子を用いたニュートリノ研究
冷却原子を用いた超対称性の研究
冷却イオン光時計を用いた物理定数時間変化
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EDM world国内ではレプトン・ハドロン様々なEDM探索実験計画が進行中
レプトンEDMミューオンEDM@KEK/J-PARC → 斎藤さん (g-2) , 次世代ミューオンEDM探索SUNY(ストニーブルク大学)@米国 → 加速器シャットダウンLNL@イタリア → ビーム強度に上限あり→Frの原子構造研究Fr EDM@東北大CYRIC → 国内加速器施設を拠点としたEDM探索
クォークEDM(原子核)旭グループ@東工大 → Xeを用いた革新的な方法によるEDM探索中性子EDM:増田グループ@KEK → 大強度UCN高橋グループ@京大 → 冷却YbKVI研究所@オランダ サイクロトロン(K=600)TRIUMF
実験
理論
クォーク色電荷EDM
電子EDM
量子色力学 量子色力学
原子理論 原子理論原子理論
原子核理論
核子中性子
Diamagnetic原子
Hg, Xe, Rn
Paramagnetic原子
Tl, Cs, Fr
分子PbO,YbF,TlF
基本理論-超対称模型…
クォークEDM
素粒
子原
子核
原子
TeV
GeV
MeV
KeV
eV
48
Summary
電子EDM 原子核EDM
冷却不安定原子を用いたEDM探索準備中 ~ 国際的にまだ実施されていないフランシウム~電子EDM増幅度最大
レーザー冷却・トラップ技術を用いてコヒーレンス時間を向上EDM測定精度の向上 ~ 大強度Fr生成工場の実現が鍵
オーブン型表面イオン化器とビーム輸送系開発~世界最高収量と同程度~最大瞬間風速多くの課題: 表面材質、Swinger磁石を用いたビーム垂直入射等、改良を進行中
レーザートラップ装置の開発を含めて、3年以内に全装置の整備完了・測定開始をめざす。
冷却不安定原子を用いた次世代EDM探索技術の確立~他の不安定核への展開を検討。レプトン・ハドロンのEDM探索を、EDM増幅度が高い不安定原子を用いて推進。