[論文レビュー] Improved isotope-shift-based bounds on bosons beyond the Standard Model through measurements of the $^2$D$_{3/2} - ^2$D$_{5/2}$ interval in Ca$^+$

Cyrille Solaro, S. Meyer+4 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|May 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、直接周波数コンブラム分光法を用いて、偶数カルシウム同位体（$^{40}$Ca$^+$ から $^{48}$Ca$^+$）におけるD準位細分裂数分裂同位体シフト（DSIS）を超高精度で測定し、20 Hzの精度を達成した。729-nm遷移の既存の同位体シフトデータと組み合わせて、電子および中性子と結合する新しい素粒子ボソンの検出感度を、これまでにない感度でKingプロット分析を実施した。これにより、場のシフト比に対する相対精度 $2 \times 10^{-7}$ を達成し、そのような相互作用の制限を強化した。

ABSTRACT

We perform high-resolution spectroscopy of the $3$d$~^2$D$_{3/2} - 3$d$~^2$D$_{5/2}$ interval in all stable even isotopes of $^A$Ca$^+$ (A = 40, 42, 44, 46 and 48) with an accuracy of $\sim$ 20 Hz using direct frequency-comb Raman spectroscopy. Combining these data with isotope shift measurements of the 4s$~^2$S$_{1/2} \leftrightarrow 3$d$~^2$D$_{5/2}$ transition, we carry out a King plot analysis with unprecedented sensitivity to coupling between electrons and neutrons by bosons beyond the Standard Model. Furthermore, we estimate the sensitivity to such bosons from equivalent spectroscopy in Ba$^+$ and Yb$^+$. Finally, the data yield isotope shifts of the 4s$~^2$S$_{1/2} \leftrightarrow 3$d$~^2$D$_{3/2}$ transition at 10 part-per-billion through combination with recent data of Knollmann et al (2019).

研究の動機と目的

• 標準模型を超える長距離作用、スピン0ボソンが電子および中性子と結合する可能性を制限すること。
• 一つのイオン種における複数の遷移を用いたKingプロット分析により、同位体シフトに基づく制限における理論的不確実性を解消すること。
• 直接周波数コンブラムRaman分光法を用いて、$^{40}$Ca$^+$ から $^{48}$Ca$^+$ におけるD準位細分製数分裂同位体シフト（DSIS）を1 Hz未満の精度で測定すること。
• 729-nmおよび732-nm遷移間の場のシフト比を $2 \times 10^{-7}$ の相対精度で抽出し、従来の場のシフト測定における矛盾を解消すること。
• Ba$^+$およびYb$^+$における今後の測定の感度向上の可能性を予測し、これらがより強い制限を得るための有望な候補であることを示すこと。

提案手法

• 直接周波数コンブラムRaman分光法を用いて、Ca$^+$の5つの安定な偶数同位体におけるD準位細分製数分裂同位体シフト（DSIS）を20 Hzの絶対精度で測定した。
• 729-nm遷移（4s $^2$S$_{1/2}$–3d $^2$D$_{5/2}$）の同位体シフトデータ（2 kHz精度）をDSIS測定と組み合わせ、Kingプロット分析を可能にした。
• 729-nmおよび732-nm遷移の2つの遷移の同位体シフトを用いてKingプロットを構築し、非線形性の有無を検証することで、電子および中性子と結合する新しい素粒子の兆候を探索した。
• 場のシフト比 $F_{21} = F_{\text{732}}/F_{\text{729}}$ を $2 \times 10^{-7}$ の相対不確実性で抽出し、多体摂動理論による妥当性を検証した。
• 同様の精度水準を仮定して、今後のBa$^+$およびYb$^+$における測定の感度向上の可能性を予測した。
• 理論的モデリングにより、MBPT予測と整合的であることが確認され、従来の場のシフト測定における矛盾が解消された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接周波数コンブラムRaman分光法を用いて、Ca$^+$におけるD準位細分製数分裂同位体シフト（DSIS）を20 Hz未満の精度で測定できるか？
• RQ2 向上した同位体シフト測定を踏まえた場合、電子および中性子と結合する新しい素粒子ボソンに対するKingプロット分析の感度はどの程度か？
• RQ3 729-nmおよび732-nm遷移間の測定された場のシフト比は、多体摂動理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ4 他の実験（例：$(g-2)_e$ やSN 1987Aの観測）と比較して、現在の新しい素粒子ボソンの制限はどの程度か？
• RQ5 新しい素粒子ボソンの質量 $m_\phi \gtrsim 0.3$ MeV/$c^2$ を探るには、DSIS測定でどの程度の精度が必要か？

主な発見

• D準位細分製数分裂同位体シフト（DSIS）は、$^{40}$Ca$^+$ から $^{48}$Ca$^+$ において20 Hzの絶対精度で測定され、相対不確実性は $\sim 10^{-6}$ に相当した。
• 場のシフト比 $F_{21} = F_{\text{732}}/F_{\text{729}}$ は $1.00148305(20)$ と決定され、相対不確実性が $2 \times 10^{-7}$ に達した。これは多体摂動理論（$F^{\text{MBPT}}_{21} = 1.0016$）と非常に良好に一致した。
• 729-nmおよび732-nm遷移のKingプロット分析は、電子および中性子と結合する新しい素粒子ボソンに対するこれまでにない感度を達成した。測定不確実性が制限要因となった。
• DSISデータとKnollmannら（2019年）の最近の729-IS測定データを組み合わせることで、732-nm同位体シフトは10 part-per-billionの精度で推定された。
• DSIS測定精度を10 mHzまで向上させれば、現在未制限の範囲にある $m_\phi \gtrsim 0.3$ MeV/$c^2$ の新しい素粒子ボソンを探索可能であることが示された。
• 本研究は、Ba$^+$およびYb$^+$においても20 HzレベルのDSIS精度を達成すれば、新しい素粒子結合に対するより強い制限が得られると予測した。