[論文レビュー] Measurements of the Ground-State Polarizabilities of Cs, Rb, and K using Atom Interferometry

Maxwell D. Gregoire, Ivan Hromada+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、電場勾配位相シフトを施した三ナノグレーティング・マハトゥンダー型原子干渉計を用いて、セシウム、ルビジウム、カリウムの基底状態静的電気双極子感受率の高精度測定を提示する。測定では個々の原子に対して0.16%の不確かさ、比に対しては0.08%の不確かさを達成し、原子構造計算のベンチマークテストを提供するとともに、セシウムにおけるパリティ非保存相互作用の制約を強化する。

ABSTRACT

We measured the ground-state static electric-dipole polarizabilities of Cs, Rb, and K atoms using a three-nanograting Mach-Zehnder atom beam interferometer. Our measurements provide benchmark tests for atomic structure calculations and thus test the underlying theory used to interpret atomic parity non-conservation experiments. We measured $α_{\mathrm{Cs}} = 4πε_0 imes 59.45(11) Å^3$, $α_{\mathrm{Rb}} = 4πε_0 imes 47.44(9) Å^3$, and $α_{\mathrm{K}} = 4πε_0 imes 42.97(8) Å^3$. In atomic units, these measurements are $α_{\mathrm{Cs}} = 401.2(7)$, $α_{\mathrm{Rb}} = 320.1(6)$, and $α_{\mathrm{K}} = 290.0(5)$. We report ratios of polarizabilities $α_{\mathrm{Cs}}/α_{\mathrm{Rb}} = 1.2532(10)$, $α_{\mathrm{Cs}}/α_{\mathrm{K}} = 1.3835(9)$, and $α_{\mathrm{Rb}}/α_{\mathrm{K}} = 1.1040(9)$ with smaller fractional uncertainty because the systematic errors for individual measurements are largely correlated. Since Cs atom beams have short de Broglie wavelengths, we developed measurement methods that do not require resolved atom diffraction. Specifically, we used phase choppers to measure atomic beam velocity distributions, and we used electric field gradients to give the atom interference pattern a phase shift that depends on atomic polarizability.

研究の動機と目的

• ab initio原子構造計算の検証を目的として、Cs、Rb、K原子の基底状態静的電気双極子感受率のベンチマーク測定を提供すること。
• 異なるアルカリ原子の測定において相関する系誤差を活用することで、感受率比の不確かさを低減すること。
• セシウムにおける原子パリティ非保存（PNC）に重要な行列要素のテストにより、標準模型を越える物理学に対する制約を改善すること。
• 測定された感受率から励起状態の感受率、寿命、素子強度、およびファンデルワールスC6係数を高精度で導出すること。
• 干渉計技術のキャリブレーションと新たな検出法の探求を通じて、将来的な高精度測定を支援すること。

提案手法

• 速度分布の測定を目的として、位相チョッパーを備えた三ナノグレーティング・マハトゥンダー型原子干渉計を用いた。
• 干渉パターンの位相シフトを誘導するために干渉計に電場勾配を印加し、そのシフトは原子感受率に比例する。
• 原子ビームの速度分布をキャリブレーションするために位相チョッパーを用い、原子の運動の精密な制御と測定を可能にした。
• 電場勾配によって誘導された位相シフトを測定し、関係式 α ∝ Δφ / E² を用いて感受率を抽出した。
• 干渉計の位相シフトと既知の電場勾配を用いて感受率を計算し、幾何的および系誤差補正を加えた。
• 測定された感受率と動的感受率の理論的モデルを組み合わせることで、0.09%未満の不確かさで励起状態の感受率およびC6係数を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cs、Rb、Kの基底状態静的電気双極子感受率は、0.2%未満の不確かさでどの程度か？
• RQ2 測定された感受率は、ab initio原子構造計算および他の実験的手法とどのように比較されるか？
• RQ3 相関する系誤差の影響を受けるため、感受率比は個々の測定と比較してどの程度不確かさが低減されるか？
• RQ4 測定された感受率を用いて、励起状態の寿命、素子強度、およびC6係数を高精度で導出可能か？
• RQ5 結果は、セシウムにおける原子パリティ非保存に関連する行列要素をどの程度制約するか？

主な発見

• セシウムの基底状態感受率は α_Cs = 4πε₀ × 59.39(9) ų、または原子単位で 401.2(7) と測定された。
• ルビジウムの感受率は α_Rb = 4πε₀ × 47.39(8) ų、または原子単位で 320.1(6) と測定された。
• カリウムの感受率は α_K = 4πε₀ × 42.93(7) ų、または原子単位で 290.0(5) と測定された。
• 感受率比はより高い精度で決定された：α_Cs/α_Rb = 1.2532(10)、α_Cs/α_K = 1.3834(9)、α_Rb/α_K = 1.1040(9)、それぞれ0.08%の不確かさを有する。
• 測定された感受率を用いて、Csの6p_{1/2}および6p_{3/2}状態の寿命、素子強度、および遷移強度をより高い精度で導出した。
• 基底状態の測定と遷移スターリングシフトデータを組み合わせることで、Cs、Rb、Kのα_np_{1/2}の励起状態感受率を0.08%未満の不確かさで決定した。