[論文レビュー] Precision study of 6p 2Pj - 8s 2S1/2 relative transition matrix elements in atomic Cs

A. Sieradzan, M. D. Havey+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2003

Atomic and Molecular Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、セシウム-133における6p $^{2}P_{j}$ → 8s $^{2}S_{1/2}$ 遷移の相対的遷移行列要素を、偏光依存二光子分光法を用いて高精度で測定した。高精度な実験データと相対論的全順序多体計算を組み合わせることで、実験的に得られた行列要素比（1.423(2)）は理論的予測値（1.425(2)）と極めて良好に一致し、重いアルカリ原子における実験的手法および理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

A combined experimental and theoretical study of transition matrix elements of the 6p 2Pj - 8s 2S1/2 transition in atomic Cs is reported. Measurements of the polarization-dependent two-photon excitation spectrum associated with the transition were made in an approximately 200 cm-1 range on the low frequency side of the 6s 2S1/2 - 6p 2P3/2 resonance. The measurements depend parametrically on the relative transition matrix elements, but also are sensitive to far-off-resonance 6s 2S1/2 - np 2Pj - 8s 2S1/2 transitions. In the past, this dependence has yielded a generalized sum rule, the value of which is dependent on sums of relative two-photon transition matrix elements. In the present case, best available determinations from other experiments are combined with theoretical matrix elements to extract the ratio of transition matrix elements for the 6p 2Pj - 8s 2S1/2 (j = 1/2,3/2) transition. The resulting experimental value of 1.423(2) is in excellent agreement with the theoretical value, calculated using a relativistic all-order method, of 1.425(2).

研究の動機と目的

• 原子セシウムにおける6p $^{2}P_{j}$ → 8s $^{2}S_{1/2}$ 遷移の相対的遷移行列要素を高精度で決定すること。
• PNC（パリティ非保存）測定における不一致を解消するために、PNC解析に不可欠な行列要素の精度を向上させること。
• 高精度な実験データと比較することで、重いアルカリ原子における相対論的全順序多体理論の信頼性を検証すること。
• 遠くの共鳴周波数から離れた遷移に対して、偏光依存二光子分光法と理論補正を組み合わせた手法の有効性を示すこと。

提案手法

• セシウムにおける6s $^{2}S_{1/2}$ → 6p $^{2}P_{3/2}$ 共鳴準位より200 cm⁻¹低い範囲で、偏光依存二光子励起分光測定を実施した。
• 実験スペクトルは、相対的二光子遷移行列要素を自由パrameterとして含む一般化された和則形式を用いてフィッティングした。
• 遠くの共鳴周波数から離れた6s $^{2}S_{1/2}$ → np $^{2}P_{j}$ → 8s $^{2}S_{1/2}$ 遷移の理論的行列要素は、相対論的全順序（全順序SDおよびSDpT）法を用いて計算した。
• 6s → 6p 遷移行列要素が正確に既知であることを踏まえ、j = 1/2およびj = 3/2の行列要素比を実験データと組み合わせて抽出した。
• 系の不確かさは、異なる理論的近似（DHF、3次MBPT、SD、SDpT）およびスケーリングされた値の比較により評価した。
• 最終的な理論的値は1.425(2)と決定され、近似のばらつきおよび高次項の寄与から不確かさが推定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セシウムにおける6p $^{2}P_{1/2}$ → 8s $^{2}S_{1/2}$ 遷移と6p $^{2}P_{3/2}$ → 8s $^{2}S_{1/2}$ 遷移の縮約電気双極子行列要素比は、どれほど正確に求められるか？
• RQ2 相対論的全順序多体計算は、重いアルカリ原子における実験的に決定された行列要素比をどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 遠くの共鳴周波数から離れた遷移は、二光子励起スペクトルにどの程度寄与しているか？ そして、それらはどのように正確にモデル化できるか？
• RQ4 偏光依存二光子分光法を用いて、セシウムにおける相対的遷移行列要素を0.2%未満の精度で抽出できるか？
• RQ5 電子相関および相対論的効果は行列要素比にどのような影響を及ぼし、全順序法ではそれらをどのように捉えているか？

主な発見

• 実験的に決定された6p $^{2}P_{j}$ → 8s $^{2}S_{1/2}$ 遷移行列要素比は1.423(2)であり、精度は±0.002であった。
• 相対論的全順序法を用いた理論的予測値は1.425(2)であり、実験結果と極めて良好に一致した。
• 全順序SDとSDpT計算の差はたった0.1%にとどまり、理論的手法の高い安定性と正確性を示している。
• 行列要素比に対する全相関補正はわずか0.4%にとどまり、主要項の強いキャンセルが寄与している。
• 3次MBPTの結果は全順序値に近く、スケーリングされた3次MBPT値も全順序結果とよく一致した。
• 本研究は、相対論的全順序手法が、8sのような高エネルギー準位を含む遷移に対しても、重いアルカリ原子における行列要素を正確に記述できることを確認した。