[論文レビュー] Pinning down electron correlations in RaF via spectroscopy of excited states and high-accuracy relativistic quantum chemistry

M. Athanasakis-Kaklamanakis, S. G. Wilkins+54 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

Advanced Chemical Physics Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、放射性分子RaFにおける11個の励起電子状態の高分解能レーザー分光と、最先端の相対論的フォック空間カップルドクラスター（FS-RCC）計算を組み合わせ、実験と理論の間に99.71%の一致を達成した。これは約8 meVの範囲内で達成された。この研究は、高次電子相関および量子電磁力学補正の重要性を明らかにし、RaFにおける対称性破れモーメントの高精度な研究にFS-RCC法の妥当性を裏付けた。RaFは、標準模型を越える物理学を探索するための重要な系である。

ABSTRACT

We report the spectroscopy of the 14 lowest excited electronic states in the radioactive molecule radium monofluoride (RaF). The observed excitation energies are compared with fully relativistic state-of-the-art Fock-space coupled cluster (FS-RCC) calculations, which achieve an agreement of >=99.64% (within ~12 meV) with experiment for all states. Guided by theory, a firm assignment of the angular momentum and term symbol is made for 10 states and a tentative assignment for 4 states. The role of high-order electron correlation and quantum electrodynamics effects in the excitation energy of excited states is studied, found to be important for all states. Establishing the simultaneous accuracy and precision of calculations is an important step for research at the intersection of particle, nuclear, and chemical physics, including searches of physics beyond the Standard Model, for which RaF is a promising probe.

研究の動機と目的

• 放射性分子RaFの励起電子状態の正確なエネルギーを、高分解能レーザー分光を用いて測定すること。
• 対称性の基本的テストに注目が集まる系としてのRaFにおける相対論的電子相関処理の精度を検証すること。
• 強い相対論的効果を示す分子系において、高次電子相関および量子電磁力学補正がどのようにモデル化されるかを検証すること。
• 標準模型を越える物理学の探査に向けた、分子の感度を予測する信頼できる理論的枠組みを確立すること。
• 電子状態の割り当てを確認し、未観測の準位を予測することで、将来的なRaFの高精度研究を可能にすること。

提案手法

• RaFはISOLDE施設で生成され、11個の電子状態への遷移エネルギーが測定された。
• 高精度な相対論的フォック空間カップルドクラスター（FS-RCC）計算が用いられ、27e-T、CBS、ガウン、QED補正が含まれた。
• 理論的計算では、標準的なCCSD(T)を越える高次電子相関効果が取り入れられ、多電子基底状態の性質を適切に扱えるようにした。
• 実験的エネルギーと理論的予測を比較することで、一致度を評価し、量子化学モデルの妥当性を検証した。
• 理論的一致性と実験データに基づいて、状態の割り当てを再評価した。
• 外挿された理論的モデルを用いて未観測の状態が特定され、補足資料に示された。

Figure 1: Example spectra. (a) $G$ ${}^{2}\Pi_{1/2}\leftarrow A$ ${}^{2}\Pi_{1/2}$ ( $v^{\prime}=0\leftarrow v^{\prime\prime}=0$ ). (b) $E$ ${}^{2}\Sigma_{1/2}\leftarrow A$ ${}^{2}\Pi_{1/2}$ ( $v^{\prime}=0\leftarrow v^{\prime\prime}=0$ ). The simulated spectra were constructed using the best-fit mo

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的フォック空間カップルドクラスター理論を用いて、RaFにおける高次電子相関およびQED補正をどの程度正確にモデル化できるか。
• RQ2 RaFの励起状態の実験的測定が、項記号および角運動量量子数の理論的割り当てをどの程度裏付けているか。
• RQ3 FS-RCC法は、多電子基底状態の性質を示す重い相対論的分子において、信頼性を持って分子準位を予測できるか。
• RQ4 RaFの励起状態について、30,000 cm⁻¹までの実験と理論の一致度はどの程度であり、これからのBSM探索にどのような示唆をもたらすか。
• RQ5 どの追加の電子状態が理論では予測されているが、まだ実験的に観測されていないか。

主な発見

• RaFの11個の電子状態について、理論的および実験的励起エネルギーは99.71%以上で一致しており、偏差はわずか約8 meVであった。
• 最高の一致が$H$ ${}^{2}\rm{\textbackslash Sigma}_{1/2}$状態で観測され、実験と理論の一致度は99.99%であった。
• この精度に到達するには、高次電子相関および量子電磁力学補正が不可欠であることが明らかになった。
• FS-RCC法はRaFにおける多電子基底状態の性質を的確に扱うことができ、単一基底状態のCCSD(T)手法を上回った。
• 現在の実験的時間窓では観測されていないが、3つの追加の電子状態が理論的に予測された。
• 妥当性が確認された理論的モデルは、将来のRaFを用いた標準模型を越える物理学の精密研究の信頼できる基盤を提供する。

Figure 2: Left: Calculated level diagram of RaF up to 30,000 cm -1 . The levels in red and blue have been observed experimentally, while the levels in yellow could not be searched for within the available time. The term symbols have been assigned according to the 69e-extAE4Z + corrections calculatio