[論文レビュー] Measurement of the $2$S$_{1/2}-8$D$_{5/2}$ transition in hydrogen

A. D. Brandt, S. F. Cooper+4 more|PubMed|Nov 16, 2021

Atomic and Molecular Physics参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、冷媒冷却原子ビームと位相ロックされたレーザーを用いて、770,649,561,570.9(2.0) kHz の水素 2S₁/₂–8D₅/₂遷移の高精度測定を報告している。相対不確かさは 2.6×10⁻¹² であり、その結果、プロトン半径は 0.8584(51) fm、リュードバーグ定数は 10973731.568332(52) m⁻¹ と得られた。これは CODATA 2018 値と 3.1σ の不一致を示しており、新たな物理現象または系統的誤差の可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present a measurement of the hydrogen 2S_{1/2}-8D_{5/2} transition performed with a cryogenic atomic beam. The measured resonance frequency is ν=770649561570.9(2.0) kHz, which corresponds to a relative uncertainty of 2.6×10^{-12}. Combining our result with the most recent measurement of the 1S-2S transition, we find a proton radius of r_{p}=0.8584(51) fm and a Rydberg constant of R_{∞}=10973731.568332(52) m^{-1}. This result has a combined 3.1σ disagreement with the Committee on Data for Science and Technology (CODATA) 2018 recommended value.

研究の動機と目的

• プロトン半径パズルを解明するために、不確かさを向上させた水素 2S₁/₂–8D₅/2 遷移の再測定を目的とする。
• 冷媒冷却原子ビーム技術と励起状態 2S の光学的準備により、系統的誤差を低減することを目的とする。
• 高精度分光法を用いて、特にプロトン半径とリュードバーグ定数を含む基本定数の整合性を検証することを目的とする。
• 異なる遷移における抽出されたリュードバーグ定数の n 依存性を分析することで、新たな物理現象の可能性を調査することを目的とする。
• 大きな行列要素を持つ二光子遷移が、水素分光法における精度向上に果たす役割を検証することを目的とする。

提案手法

• 熱運動と速度依存性シフトを低減するために、マイクロ波分解とスーパーソニックノズルを用いて生成した冷媒冷却水素原子ビームを用いた。
• 絶対周波数測定のため、周波数安定化光学周波数コンブを用いて 243 nm および 778 nm レーザーを位相ロックした。
• 1S₁/₂ 基底状態から二光子励起により、2S₁/₂(F=1) のハイパーファイン状態を光学的に準備し、電子衝突を回避してバックグラウンドを低減した。
• 原子ビームに対して 6° の角度で真空中の光学キャビティを用いて、243 nm および 778 nm レーザー光束の強度を向上させ、相互作用効率を向上させた。
• ゼーマン効果およびストローブ効果を最小限に抑えるために、ファラデーケージ内に差圧ポンプマニホールドおよび磁気シールドを設けた。
• 778 nm の励起により 8D₅/2 に遷移した後、チャンネル電子倍倍管を用いて励起状態 2S₁/₂ のクエンチングを検出することで、その励起状態の人口を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素における 2S₁/₂–8D₅/2 遷移の正確な周波数は何か？ また、その不確かさは過去の測定と比べてどうか？
• RQ2 測定された遷移周波数は、CODATA 2018 で推奨されている値と整合するプロトン半径をもたらすか？
• RQ3 抽出されたプロトン半径と CODATA 2018 値との不一致は、系統的誤差または新たな物理現象によって説明可能か？
• RQ4 抽出されたリュードバーグ定数の n 依存性は、例えばヤコブ型相互作用のような新たな物理の探索にどのように寄与するか？
• RQ5 ストローブ効果、ドップラー効果、ブラックボディ放射の補正といった微小補正が、全体の不確かさにどの程度寄与しているか？

主な発見

• 2S₁/₂–8D₅/2 遷移の測定共振周波数は 770,649,561,570.9(2.0) kHz であり、相対不確かさは 2.6×10⁻¹² であった。
• この測定から抽出されたプロトン半径は 0.8584(51) fm であり、これは CODATA 2018 推奨値と 3.1σ の不一致を示している。
• リュードバーグ定数は 10973731.568332(52) m⁻¹ と決定され、不確かさは主にプロトン半径の決定に起因している。
• ストローブ効果および2次ドップラー効果を含む周波数の微小補正は合計で -0.16 kHz であり、合成不確かさは 0.82 kHz であった。
• 高次の n 状態への遷移を用いた場合、リュードバーグ定数の値が高くなる傾向がデータから示されたことから、n 依存性の効果が可能性として示唆された。
• 範囲が約 34 a₀ のヤコブ型ポテンシャルを導入すると、リュードバーグ定数抽出の赤色カイ二乗統計量は約 4.0 から約 2.0 に低下し、新たな物理モデルとの部分的整合性が示された。