[論文レビュー] Probing Atomic Higgs-like Forces at the Precision Frontier

Cédric Delaunay, Roee Ozeri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2016

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、原子時計における高精度同位体シフト分光法を用いて、ヒッグス粒子に類似した粒子や軽いスカラー・ボソンが媒介する新しい基本的力を探る手法を提案している。複数の遷移における同位体シフトのキングプロットにおける非線形性を分析することで、1 Hz未塔の周波数測定精度があれば、電子と中性子の間のヒッグス媒介力の検出が可能であり、現在の軽いフェルミオンへの結合定数の制約を数個のオーダー改善できる可能性がある。

ABSTRACT

We propose a novel approach to probe new fundamental interactions using isotope shift spectroscopy in atomic clock transitions. As concrete toy example we focus on the Higgs boson couplings to the building blocks of matter: the electron and the up and down quarks. We show that the attractive Higgs force between nuclei and their bound electrons, that is poorly constrained, might induce effects that are larger than the current experimental sensitivities. More generically, we discuss how new interactions between the electron and the neutrons, mediated via light new degrees of freedom, may lead to measurable non-linearities in a King plot comparison between isotope shifts of two different transitions. Given state-of-the-art accuracy in frequency comparison, isotope shifts have the potential of being measured with sub-Hz accuracy, thus potentially enabling the improvement of current limits on new fundamental interactions. Candidate atomic system for this measurement require two different clock transitions and four zero nuclear spin isotopes. We identify several systems that satisfy this requirement and also briefly discuss existing measurements. We consider the size of the effect related to the Higgs force and the requirements for it to produce an observable signal.

研究の動機と目的

• 軽いヒッグスに類似した粒子が媒介する新しい基本的相互作用を、低エネルギー領域で精密に検証する新しい手法を開発すること。
• とりわけ電子や上/下クォークに対して、ヒッグスボソンの結合定数が不確実に抑えられている問題を解決すること。
• ヒッグス粒子の発見以降も依然として弱いままの、ヒッグスから軽いフェルミオンへの結合定数の既存の実験的制約を改善すること。
• キングプロットにおける非線形性を検出可能な、複数の時計遷移とスピンゼロの同位体を有する原子系を同定すること。

提案手法

• 1 Hz未塔の周波数分解能を持つ原子時計における同位体シフト分光法を用い、新しい物理学を探る。
• 一次摂動論を適用して、ヤコビ型ポテンシャル VHiggs(r) = −(yeyA / 4π) (e−rmh / r) を介したヒッグス誘起エネルギー準位のずれを計算する。
• クォークレベルの結合を用いて有効核結合定数 yA をモデル化する： yn,p ≈7.7yu + 9.4yd + 0.75ys + 2.6×10−4cg。
• 電子と中性子の間の新しいスカラー相互作用に起因する非線形性を検出するため、キングプロット分析を実施する。
• ヒッグスの交換と、軽いスカラー媒介粒子（φ）との混合が、追加のヤコビ型ポテンシャルを誘発する場合を検討する。
• Yb+, Ca+, Sr+, Hg といった、複数の時計遷移と4つの安定なスピンゼロ同位体を有する候補系を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 Hz未塔の同位体シフト測定精度があれば、新しい電子-中性子力に起因するキングプロットの非線形性を検出できるか？
• RQ2 現在の実験的周波数精度を考慮した場合、原子準位におけるヒッグス力による周波数ずれの最大観測値は何か？
• RQ3 ヒッグスが軽いクォークおよび電子に与える影響が原子遷移周波数に及ぼす影響は何か？ また、LHCの制約を超えてそれらを探査可能か？
• RQ4 非線形キングプロットを用いた同位体シフト分光法による新しい物理学の検出に最適な原子系は何か？
• RQ5 同位体シフト測定により、ヒッグスや新しいスカラー媒介粒子への軽いフェルミオン結合に対する制約をどの程度改善できるか？

主な発見

• クォーク結合定数がLHCの制約に達している場合、ヒッグス媒介力が原子準位に及ぼすエネルギー準位のずれは、標準模型の予測値の106倍にも達する可能性がある。
• ヒッグス誘起周波数ずれは、s状態に対して δEHiggs ∝ −(yeyA / m2h) |ψ(0)|2 のように比例し、|ψ(0)|2/n3 は核における電子密度を表す。
• Yb+では、ヒッグスずれが約1 Hzに推定され、現在の1 Hz未塔の周波数分解能で観測可能である可能性がある。
• ヒッグスが軽いφ粒子と混合することで生じる新しいスカラー相互作用に起因するキングプロットの非線形性は、Ca+ や Sr+ といった系で1 Hz未塔のレベルで検出可能である。
• この手法は、既存のLHCや原子物理学的制約と同等またはそれ以上の感度で、電子-中性子結合定数を制約可能である。
• Yb+, Ca+, Sr+, Hg といった系は、複数の時計遷移と4つの安定なスピンゼロ同位体を有するため、最適な候補と同定された。