[論文レビュー] Optical Frequency Trapped Ion Probe for a Varying Proton-to-Electron Mass Ratio

Mark Kokish, Patrick Stollenwerk+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、変動する陽子対電子質量比（$\mu$）の実験的探索に向け、高感度な分子イオンTeH$^+$を提案する。TeH$^+$は、$\mu$に強く敏感な幅の狭い線幅の振動過渡状態と、対角的で高いフレンク・コンドン因子を持つ電子遷移を有しており、これにより状態寿命よりも速い光学的状態準備が可能となり、統計的不確実性が1日で$5 \times 10^{-18}$にまで低下し、外部場に起因する系統的ずれは$1 \times 10^{-18}$未満に抑えられる。

ABSTRACT

Molecules with deep potential wells provide optical transitions sensitive to variation in the proton-to-electron mass ratio ($\mu$). Here we propose the molecular ion TeH$^+$ as a favorable candidate for an improved laboratory search for changing $\mu$. We identify narrow-linewidth vibrational overtones in TeH$^+$ with high absolute sensitivity to $\mu$. TeH$^+$ additionally provides electronic transitions with highly diagonal Franck-Condon factors. This allows for the implementation of optical state preparation schemes faster than the spectroscopy state lifetimes, allowing a single-ion spectroscopy experiment to reach the projection-noise limited statistical uncertainty of $5 imes 10^{-18}$ with one day of averaging. In addition, we analyze the extent of Stark and Zeeman systematic shifts. We show that the spectroscopy states within the ground X$_10^+$ electronic manifold are relatively insensitive to external fields, leading to a fractional precision $<$$1 imes 10^{-18}$ using reasonable methods of external field control previously demonstrated in ion trap experiments.

研究の動機と目的

• 陽子対電子質量比（$\mu$）の変動に対して高い感度を示す分子イオンの同定。
• 外部場に起因する系統的誤差が最小限に抑えられる光学分光法を実現可能な候補系の開発。
• 迅速な光学的状態準備により、単一イオン実験において投影ノイズ制限の統計的不確実性を達成すること。

提案手法

• 量子化学的計算を用いて、TeH$^+$の振動過渡状態における$\mu$変動に対する感度を同定。
• X$_1^0+$基底電子状態マニホールド内での電子遷移を分析し、対角的で高いフレンク・コンドン因子を持つものを探求し、迅速な光学的状態準備を可能にする。
• ストark効果およびゼーマン効果が分光状態に与える影響をモデル化し、場に起因する系統的誤差を評価。
• 既知のイオントラップ制御技術を用いて、$1 \times 10^{-18}$未満の分数精度を維持する可能性を示す。
• 状態準備速度と寿命制約を含む現実的な条件下での分光性能をシミュレート。
• 状態準備速度と状態寿命に基づき、1日間の平均化によって達成可能な統計的不確実性を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeH$^+$の振動過渡状態は、陽子対電子質量比（$\mu$）の変動に対してどの程度感度を示すか？
• RQ2 TeH$^+$の電子遷移は、分光状態の寿命を上回る速度で光学的状態準備を可能にするか？
• RQ3 TeH$^+$の分光状態は、外部電場および磁場に起因する系統的ずれに対してどの程度感受性を示すか？
• RQ4 標準的な場制御技術を用いた単一イオン実験で、どの程度の分数精度を達成できるか？
• RQ5 この系を用いて1日間の平均化でどの程度の統計的不確実性に到達できるか？

主な発見

• TeH$^+$は、$\mu$の変動に対して高い絶対感度を示す幅の狭い線幅の振動過渡状態を有する。
• TeH$^+$のX$_1^0+$マニホールド内での電子遷移は、対角的で高いフレンク・コンドン因子を有しており、分光状態の寿命よりも速い光学的状態準備が可能である。
• 1日間の平均化後に予想される統計的不確実性は$5 \times 10^{-18}$であり、これは投影ノイズに制限される。
• 基底電子状態マニホールド内の分光状態は外部場に対して相対的に不感であり、妥当な場制御法を用いることで系統的ずれが$1 \times 10^{-18}$未満にまで低減される。
• 高い$\mu$感度、迅速な状態準備、低場感度の組み合わせにより、TeH$^+$は次世代の変動$\mu$の実験的探索に有望な候補である。