[論文レビュー] Lasercooled radium monofluoride: A molecular all-in-one probe for new physics

T. A. Isaev, Robert Berger|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2013

Advanced Chemical Physics Studies被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、直接レーザー冷却に適した電子的構造と、電子電気双極モーメント（eEDM）および核のアナポールモーメント信号の強力な増幅を兼ね備えた、ラジウムモノフルオライド（RaF）を、新物理のための極めて有望な分子プローブとして提案する。RaFの${}^{2}\mathrm{\Pi}$基底状態は、問題となる低エネルギー準位を避けており、YbFを上回る有効電場を示す。これにより、$\mathrm{P,T}$-奇対称相互作用の高感度探索が可能となる。

ABSTRACT

The particular advantages of using the diatomic molecule radium monofluoride (RaF) as a versatile molecular probe for physics beyond the Standard Model are highlighted. i) RaF was previously suggested as being potentially amenable to direct cooling with lasers. As shown in the present work, RaF's energetically lowest electronically excited state is of ${}^{2}Π$ symmetry (in contrast to BaF), such that no low-lying ${}^{2}Δ$ state prevents efficient optical cooling cycles. ii) The effective electric field acting on the unpaired electron in the electronic ground state of RaF is estimated larger than in YbF, from which the best restrictions on the electron electric dipole moment (eEDM) were obtained experimentally. iii) Favourable crossings of spin-rotational levels of opposite parity in external magnetic fields exist, which are important for the measurement of the nuclear anapole moment of nuclei with a valence neutron. Thus, RaF appears currently as one of the most attractive candidates for investigation of parity-odd as well as simultaneously parity- and time-reversal-odd interactions in the realms of molecular physics.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える$\mathrm{P}$-奇および$\mathrm{P,T}$-奇相互作用の高精度なテストを可能にする分子候補の同定。
• 系の系統的誤差の課題に応えるために、強力な抑制機構を有する分子の同定。
• RaFが電子電気双極モーメント（eEDM）および核のアナポールモーメントを探索するための包括的プラットフォームとしての可能性を評価。
• BaFにおける低エネルギー準位${}^{2}\mathrm{\Delta}$状態に起因する制限を克服し、RaFの電子的構造が直接レーザー冷却を可能にすることを示す。

提案手法

• 大規模な基底関数集合と活性空間を用いたFock-space relativistic coupled cluster（FS-RCC）計算を実施し、RaFおよびBaFの電子準位の順序を決定。
• ${}^{2}\mathrm{\Sigma}_{1/2}$基底状態および最初の励起状態の分光学的パラメータ（平衡結合長$R_{\rm e}$、調和振動数$\tilde{\nu}_{\rm e}$、電子遷移エネルギー$\tilde{T}_{\rm e}$）を計算。
• スカラー$\mathrm{P,T}$-奇相互作用パラメータ$W_{\rm s}$を用いて、電子に作用する有効電場$E_{\rm eff}$を推定。$E_{\rm eff} = -\frac{\rm \tilde{\rm \text{Ω}} C_{\rm SP}}{d_{\rm e}} \frac{M_{\rm EDM}}{M_{\rm SPT}} \frac{A}{Z} W_{\rm s}$から導出。
• 外部磁場下での有利なスピン-回転準位のクロスイングを介した核アナポールモーメントの測定可能性を評価。
• Ra$^+$とフッ素含有化合物との反応的衝突により生成するRaF$^+$を経由した中性RaFの生成経路を提案。
• ラジウム同位体（例：$^{225}$Ra、$^{223}$Ra）の八重極歪み状態におけるシュフィルモーメントの増幅機構を評価。$^{199}$Hgと比較して最大100倍の増幅を予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaFに見られる問題な${}^{2}\mathrm{\Delta}$状態を避けることにより、RaFはその好都合な電子的構造のおかげで直接レーザー冷却が可能か？
• RQ2 YbF（現在のeEDM探索のベンチマーク）と比較して、RaFにおける電子に作用する有効電場はどの程度か？
• RQ3 外部磁場下で、RaFに有利なスピン-回転準位クロスイングが存在し、高精度な核アナポールモーメント測定を可能にするか？
• RQ4 BaF、YbF、HgH、CnHといった他の分子候補と比較して、RaFにおけるスカラー$\mathrm{P,T}$-奇相互作用はどの程度強化されているか？
• RQ5 特に八重極歪み状態を示す同位体（例：$^{225}$Ra、$^{223}$Ra）において、RaFの核構造がシュフィルモーメントの顕著な増幅をもたらし、$\mathrm{P,T}$-奇相互作用に対する感度を向上させるか？

主な発見

• RaFの最低励起電子状態は${}^{2}\mathrm{\Pi}$であり、BaFに見られる冷却を妨げる低エネルギー準位${}^{2}\mathrm{\Delta}$を有しないことを確認。
• RaFにおける有効電場$|E_{\rm eff}|$は$11 \times 10^{24}~{}\mathrm{Hz}~{}e^{-1}~{}\mathrm{cm}^{-1}$と推定され、YbFの$4.4 \times 10^{24}~{}\mathrm{Hz}~{}e^{-1}~{}\mathrm{cm}^{-1}$を上回り、電子電気双極モーメントに非常に感受性が高い。
• RaFにおけるスカラー$\mathrm{P,T}$-奇相互作用パラメータ$W_{\rm s}$は$-1500~{}\mathrm{kHz}$と推定され、BaF（$-8.5~{}\mathrm{kHz}$）およびYbF（$-41~{}\mathrm{kHz}$）と比較して顕著に大きく、強力な増幅が示唆される。
• $^{225}$Raおよび$^{223}$Raでは、シュフィルモーメントがそれぞれ$300$および$400$（$\eta \times 10^8~{}\mathrm{e}~{}\mathrm{fm}^3$単位）と予測され、$^{199}$Hgの$-1.4$と比較して顕著な増幅が示される。
• 大規模な基底関数集合と活性空間を用いた理論的計算により、${}^{2}\mathrm{\Pi}$状態がRaFにおいても最低励起状態のままであることが確認され、直接レーザー冷却への適性が裏付けられる。
• RaF$^+$を用いた電荷交換反応や表面を介した電子移動により、中性RaFを生成可能であり、提案されたプラットフォームの実験的実現が可能である。