[論文レビュー] Evidence of Two-Source King Plot Nonlinearity in Spectroscopic Search for New Boson

Joonseok Hur, Diana Prado Lopes Aude Craik+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Nuclear physics research studies参考文献 81被引用数 66

ひとこと要約

本研究では、捕獲された ¹⁶⁸–¹⁷⁶Yb⁺ 系で測定された 2S₁/₂ → 2F₇/₂ 電気八極遷移の分光測定から得られたキングプロットにおいて、240σ の非線形性が報告された。これは同位体シフトデータにおける顕著な非線形性の偏差を示している。この非線形性は、フェイアンス関数を用いた核密度汎関数理論を介して核効果に起因するとされ、4.3σ の有意水準で、第二の小さな非線形性要因も特定された。これは、標準模型を越える新しい物理現象の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Optical precision spectroscopy of isotope shifts can be used to test for new forces beyond the Standard Model, and to determine basic properties of atomic nuclei. We measure isotope shifts on the highly forbidden ${}^2S_{1/2} ightarrow {}^2F_{7/2}$ octupole transition of trapped $^{168,170,172,174,176}$Yb ions. When combined with previous measurements in Yb$^+$ and very recent measurements in Yb, the data reveal a King plot nonlinearity of up to 240$\sigma$. The trends exhibited by experimental data are explained by nuclear density functional theory calculations with the Fayans functional. We also find, with 4.3$\sigma$ confidence, that there is a second distinct source of nonlinearity, and discuss its possible origin.

研究の動機と目的

• クォークと電子の間の相互作用を媒介する新しいボソンの兆候となる可能性がある、同位体シフトの線形性からの逸脱を探索することで、標準模型を越える新しい物理を検証すること。
• Yb+ 系の光学分光法から得られたキングプロットにおける非線形性の原因を、核効果と新しい物理の寄与の両者から区別すること。
• 同位体シフトデータから正確な核性質を抽出し、核エネルギー密度汎関数の改良を図ること。
• 観測されたキングプロットの非線形性が、高次の核効果に起因するのか、それとも仮説的な新しいボソンに起因するのかを調査すること。

提案手法

• 500 Hz 解像度を有する高精度レーザー分光法を用いて、単一捕獲 ¹⁶⁸–¹⁷⁶Yb⁺ 系の非常に禁制な 2S₁/₂ → 2F₇/₂ 電気八極遷移を測定した。
• 5 種の偶数質量数 Yb 同位体の同位体シフト (νAA′) を測定し、Yb⁺ および中性 Yb からの先行データと組み合わせて、周波数正規化キングプロットを構築した。
• 正規化キングプロット形式 (νAA′_γ = fγτ + KγτµAA′ + G(4)_γτ δ⟨r⁴⟩AA′ + G(2)_γτ [δ⟨r²⟩²]AA′ + υneDγτaAA′) を用いて、非線形寄与を分離した。
• フェイアンス関数を用いた核密度汎関数理論 (DFT) を用いて、核電荷半径および高次モーメントをモデル化し、観測された同位体シフト傾向と一致させた。
• 3次元キングプロットフィットを、3 つの遷移 (α, β, γ, δ, ε) を用いて、主な核効果を超える追加の非線形性の有無を検証した。
• 先進的な原子構造コード (GRASP2018, ambit) を用いて D 要素を計算し、新しいボソンのカップリングパラメータ υneDγτaAA′ を感度として定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同位体シフト分光法は、クォーク-電子相互作用を媒介する新しいボソンの兆候となる、キングプロットにおける線形性からの逸脱を検出可能か？
• RQ2 Yb⁺ および中性 Yb データから構築されたキングプロットにおける観測された 240σ の非線形性の原因は何か？
• RQ3 この非線形性は、核密度汎関数理論によって予測される核効果と整合的か、それとも新しい物理を示唆するか？
• RQ4 第二の、より小さな非線形性要因は存在するか？ その物理的起源は何か？
• RQ5 高精度な同位体シフト測定は、核エネルギー密度汎関数のキャリブレーションをどのように改善できるか？

主な発見

• Yb⁺ (2S₁/₂ → 2F₇/₂) および中性 Yb データを組み合わせたキングプロットにおいて、240σ の非線形性が観測され、顕著な線形性からの逸脱が示された。
• 観測された非線形性のパターンは、フェイアンス関数を用いた核密度汎関数理論によって一貫して説明可能であり、歪んだ Yb 同位体の基底状態性質と一致した。
• 4.3σ の有意水準で第二の小さな非線形性要因が特定され、標準模型を越える物理現象の寄与の可能性を示唆した。
• 2S₁/₂ → 2F₇/₂ 遷移は、以前の四極遷移と比較して、電子配置の変化が著しく大きいため、非線形性が 20 倍に増大した。
• ¹⁶⁸Yb⁺ から ¹⁷⁶Yb⁺ までの絶対的遷移周波数は、37 Hz 未満の不確かさで報告され、高精度な核物理学および原子物理学のテストを可能にした。
• 質量範囲 1 eV から 100 MeV/c² のさまざまな新しいボソン (φ) に対して、感度を評価した。D 要素は複数の原子構造コードを用いて計算され、結果の信頼性を高めた。