[논문 리뷰] Evidence of Two-Source King Plot Nonlinearity in Spectroscopic Search for New Boson

Joonseok Hur, Diana Prado Lopes Aude Craik외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 10.

Nuclear physics research studies참고 문헌 81인용 수 66

한 줄 요약

이 연구는 트랩에 갇힌 ¹⁶⁸–¹⁷⁶Yb⁺ 이온에서 2S₁/₂ → 2F₇/₂ 옥트루폴 전이의 스펙트로스코픽 측정을 통해 얻은 킹 플롯에서 240σ의 비선형성을 보고한다. 이는 동위원소 이동 데이터에서의 강한 선형성 이탈을 나타낸다. 이 비선형성은 페이안스 함수를 사용한 핵 밀도 기반 함수 이론을 통해 핵 효과로 기인하며, 추가로 4.3σ 유의수준에서 더 작은 비선형성 기여원이 확인되어, 표준모델을 넘어서는 새로운 물리학의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Optical precision spectroscopy of isotope shifts can be used to test for new forces beyond the Standard Model, and to determine basic properties of atomic nuclei. We measure isotope shifts on the highly forbidden ${}^2S_{1/2} ightarrow {}^2F_{7/2}$ octupole transition of trapped $^{168,170,172,174,176}$Yb ions. When combined with previous measurements in Yb$^+$ and very recent measurements in Yb, the data reveal a King plot nonlinearity of up to 240$\sigma$. The trends exhibited by experimental data are explained by nuclear density functional theory calculations with the Fayans functional. We also find, with 4.3$\sigma$ confidence, that there is a second distinct source of nonlinearity, and discuss its possible origin.

연구 동기 및 목표

• 쿼크와 전자 간의 상호작용을 매개하는 새로운 보손이 존재할 경우를 탐지하기 위해 이sovotope 이동에서의 선형성 이탈 여부를 검토함으로써 표준모델을 넘어서는 새로운 물리학을 테스트한다.
• Yb+ 이온의 광학 스펙트로스코피에서 관측된 킹 플롯의 비선형성 기원을 핵 효과와 새로운 물리 기여원 사이에서 구분한다.
• 이sovotope 이동 데이터로부터 정밀한 핵 성질을 추출하여 핵 에너지 밀도 기반 함수를 개선한다.
• 관측된 킹 플롯의 비선형성이 고차 핵 효과에서 기인하는지, 아니면 가상의 새로운 보손에서 기인하는지 조사한다.

제안 방법

• 500 Hz 해상도를 갖는 고정밀 레이저 스펙트로스코피를 수행하여 단일 트랩에 갇힌 ¹⁶⁸–¹⁷⁶Yb⁺ 이온의 매우 금지된 2S₁/₂ → 2F₇/₂ 옥트루폴 전이에 대해 측정하였다.
• 다섯 개인 Yb 동위원소에 대해 이sovotope 이동(νAA′)을 측정하고, Yb⁺ 및 중성 Yb에서의 이전 데이터와 융합하여 주파수 정규화된 킹 플롯을 구성하였다.
• 정규화된 킹 플롯 형식(νAA′_γ = fγτ + KγτµAA′ + G(4)_γτ δ⟨r⁴⟩AA′ + G(2)_γτ [δ⟨r²⟩²]AA′ + υneDγτaAA′)을 사용하여 비선형 기여를 분리하였다.
• 페이안스 함수를 사용한 핵 밀도 기반 함수 이론(DFT)을 적용하여 핵 전하 반경 및 고차 모멘트를 모델링하고, 관측된 이sovotope 이동 경향과 일치시켰다.
• 세 개의 전이(α, β, γ, δ, ε)를 사용한 3차원 킹 플롯 피팅을 수행하여 주요 핵 효과 이외의 추가 비선형성 여부를 검증하였다.
• 고급 원자 구조 코드(GRASP2018, ambit)를 사용해 계산된 D 요소를 활용하여 새로운 보손(φ)에 대한 민감도를 측정한 커플링 파am터 υneDγτaAA′를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이sovotope 이동 스펙트로스코피는 쿼크-전자 상호작용을 매개하는 새로운 보손이 존재할 경우를 탐지하기 위해 킹 플롯의 선형성 이탈 여부를 감지할 수 있는가?
• RQ2 Yb⁺ 및 중성 Yb 데이터로부터 구성된 킹 플롯에서 관측된 240σ 비선형성의 기원은 무엇인가?
• RQ3 이 비선형성은 핵 밀도 기반 함수 이론에 의해 예측된 핵 효과와 일치하는가, 아니면 새로운 물리학을 시사하는가?
• RQ4 두 번째로 작은 비선형성 기여원이 존재하는가? 만약 존재한다면, 그 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ5 정밀한 이sovotope 이동 측정은 핵 에너지 밀도 기반 함수의 校정을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Yb⁺(2S₁/₂ → 2F₇/₂) 및 중성 Yb 데이터를 융합한 킹 플롯에서 240σ의 비선형성이 관측되어 선형성에서의 매우 뚜렷한 이탈을 나타낸다.
• 관측된 비선형성 패턴은 페이안스 함수를 사용한 핵 밀도 기반 함수 이론에 의해 일관되게 설명되며, 비대칭 Yb 동위원소의 기초 상태 성질과 일치한다.
• 4.3σ 유의수준에서 두 번째로 작은 비선형성 기여원이 확인되어, 표준모델을 넘어서는 물리학의 기여 가능성을 시사한다.
• 2S₁/₂ → 2F₇/₂ 전이로 인해 전자 구형의 변화가 크기 때문에, 이전의 쿼드루폴 전이 대비 비선형성은 20배 증가하였다.
• ¹⁶⁸Yb⁺에서 ¹⁷⁶Yb⁺까지의 절대 전이 주파수는 37 Hz 이내의 불확도로 보고되었으며, 이는 고정밀 핵 및 원자 물리학 실험에 적합하다.
• 1 eV에서 100 MeV/c²의 질량 범위에 걸쳐 새로운 보손(φ)에 대한 민감도를 정량화하였으며, 정확도를 높이기 위해 다수의 원자 구조 코드를 사용해 D 요소를 계산하였다.