[論文レビュー] Isotope-shift spectroscopy of the ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_1$ and ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_0$ transitions in strontium

Hirokazu Miyake, Neal C. Pisenti+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 40被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、$^{88}$Sr に対して相対する $^{84}$Sr および $^{86}$Sr における $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ クロック遷移の最初の同位体シフト測定と、$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ 遷移の包括的な同位体シフトを報告する。レーザー冷却したストロンチウム原子を光学ダイポールトラップに閉じ込め、高精度分光法を用いて非線形キングプロットが観測され、線形性仮定に疑問を呈し、原子構造理論および新しい物理現象の探索のためのベンチマークを提供する。

ABSTRACT

Isotope shift spectroscopy with narrow optical transitions provides a benchmark for atomic structure calculations and has also been proposed as a way to constrain theories predicting physics beyond the Standard Model. Here, we have measured frequency shifts of the ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_1$ and ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_0$ transitions between all stable isotopes of strontium relative to ${^{88}}$Sr. This includes the first reported measurements of the ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_0$ isotope shift of ${^{88}}$Sr-${^{86}}$Sr and ${^{88}}$Sr-${^{84}}$Sr. Using the isotope shift measurements of the two transitions, a King plot analysis is performed. These results, combined with other recent isotope shift measurements in other atomic systems, will help refine atomic structure calculations and theoretical predictions for new physics.

研究の動機と目的

• すべての安定ストロンチウム同位体について、$^{88}$Sr を基準として $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ および $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 遷移の同位体シフトを測定すること。
• これらの遷移のキングプロット分析を実施し、線形性の有無を検証し、標準原子構造モデルからのずれを探索すること。
• 原子構造計算の高精度ベンチマークを提供し、標準模型を超える物理現象の制約を示すこと。
• $^{84}$Sr および $^{86}$Sr における $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 遷移の同位体シフトを測定すること、これらはこれまで測定が行われていなかった。
• ダイポールトラップにおける交流スターリング効果および熱的ラインシフトに起因する系統的シフトを考慮し補正すること。

提案手法

• マイクロケルビン温度で三方向光学ダイポールトラップに閉じ込められた、$^{88}$Sr、$^{87}$Sr、$^{86}$Sr、$^{84}$Sr のレーザー冷却原子を用いた。
• 689 nm（$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$）および 698 nm（$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$）の外部キャビティダイオードレーザーを、超高張力係数（ULE）キャビティ基準を用いてピュオン＝ドリーヴァル＝ホールロックで安定化した。
• 周波数コンブを用いて周波数基準を維持し、長期間にわたるレーザーの周波数ドリフトを補正した。
• 分光測定は、レーザー周波数を走査し、吸収像で原子損失をモニタリングすることで実施した。
• 熱的分布および非一様な交流スターリングシフトを組み込んだ完全なラインシープモデルを用いてデータをフィッティングし、熱的ラインシフトを補正した。
• 密度、反動、トラップに起因するシフトに起因する系統的シフトを評価し、測定された同位体シフトから差し引いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての安定ストロンチウム同位体における $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ および $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 遷移の、$^{88}$Sr を基準とした同位体シフトは何か？
• RQ2 これらの二つの遷移から構築されたキングプロットは、標準原子モデルに予想されるように線形性を示すか？
• RQ3 ダイポールトラップにおける測定周波数に、熱的効果および交流スターリングシフトがどれほど歪みを引き起こすか？
• RQ4 測定された同位体シフトは、原子構造理論および標準模型を超える物理現象の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 現在の分光技術を用いて、$^{84}$Sr および $^{86}$Sr における $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 遷移を正確にプローブできるか？

主な発見

• 本研究では、$^{88}$Sr–$^{86}$Sr および $^{88}$Sr–$^{84}$Sr 組み合わせにおける $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 同位体シフトの最初の実験的測定を報告する。
• $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ および $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 遷移から構築されたキングプロットは非線形な傾向を示し、期待される線形性からのずれを示唆する。
• ダイポールトラップにおける熱的ラインシフトは $-7.6 \pm 0.3$ kHz/$\mu$K として定量され、$^{88}$Sr、$^{87}$Sr、$^{86}$Sr、$^{84}$Sr それぞれに対して $-22 \pm 4$ kHz、$-17 \pm 4$ kHz、$-8 \pm 4$ kHz、$-21 \pm 4$ kHz の系統的補正が行われた。
• $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ 遷移の測定同位体シフトは、同位体間で一貫しており、不確かさは 15 kHz 未満であった。
• 非線形キングプロットは、高次の効果または標準模型を超える物理現象の制約可能性を示唆する。
• 熱的および交流スターリング効果を考慮した完全なラインシープモデルは、ガウスモデルよりも良好なフィッティングを示し、ガウス中心から最大 20 kHz の赤方シフトを示した。