[논문 리뷰] Improved isotope-shift-based bounds on bosons beyond the Standard Model through measurements of the $^2$D$_{3/2} - ^2$D$_{5/2}$ interval in Ca$^+$

Cyrille Solaro, S. Meyer외 4명|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|2020. 05. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 직접 주파수 조합 라만 분광법을 사용하여 $^{40}$Ca$^+$에서 $^{48}$Ca$^+$에 이르는 짝수 구리슘 동위소에서 D-세분구조 분리 이sovotope 이동(이하 DSIS)을 초정밀하게 측정하였으며, 정확도가 20 Hz에 도달하였다. 기존의 729-nm 전이에 대한 이sovotope 이동 데이터와 결합하여, 전자와 중성자와 결합하는 새로운 물리학 보손에 대한 민감도가 높은 킹 플롯 분석을 수행하였으며, 이로 인해 필드 이동 비율에 대해 $2 \times 10^{-7}$의 분수 정확도로 개선된 제약 조건을 설정하였다.

ABSTRACT

We perform high-resolution spectroscopy of the $3$d$~^2$D$_{3/2} - 3$d$~^2$D$_{5/2}$ interval in all stable even isotopes of $^A$Ca$^+$ (A = 40, 42, 44, 46 and 48) with an accuracy of $\sim$ 20 Hz using direct frequency-comb Raman spectroscopy. Combining these data with isotope shift measurements of the 4s$~^2$S$_{1/2} \leftrightarrow 3$d$~^2$D$_{5/2}$ transition, we carry out a King plot analysis with unprecedented sensitivity to coupling between electrons and neutrons by bosons beyond the Standard Model. Furthermore, we estimate the sensitivity to such bosons from equivalent spectroscopy in Ba$^+$ and Yb$^+$. Finally, the data yield isotope shifts of the 4s$~^2$S$_{1/2} \leftrightarrow 3$d$~^2$D$_{3/2}$ transition at 10 part-per-billion through combination with recent data of Knollmann et al (2019).

연구 동기 및 목표

• 표준모델을 초월하는 장거리, 스핀 0 보손이 전자와 중성자와 모두 결합하는 것을 제약 조건을 강화하기 위해.
• 단일 이온 종에서 다수의 전이를 사용한 킹 플롯 분석을 통해 이sovotope 이동 기반 제약 조건의 이론적 불확실성을 해소하기 위해.
• 직접 주파수 조합 라만 분광법을 사용하여 $^{40}$Ca$^+$에서 $^{48}$Ca$^+$에 이르는 D-세분구조 분리 이sovotope 이동(DSIS) 측정에서 1 Hz 이하의 정밀도를 달성하기 위해.
• 729-nm 전이와 732-nm 전이 간의 필드 이동 비율을 $2 \times 10^{-7}$의 분수 정확도로 추출하여 이전의 필드 이동 측정치 간의 불일치를 해결하기 위해.
• Ba$^+$와 Yb$^+$에서 향후 유사 측정을 위한 민감도 향상 가능성을 예측하고, 이러한 이온 종이 더 강력한 제약 조건을 제공할 잠재적 후보임을 규명하기 위해.

제안 방법

• 직접 주파수 조합 라만 분광법을 사용하여 $^{40}$Ca$^+$에서 $^{48}$Ca$^+$에 이르는 모든 5개의 안정한 짝수 동위소에서 D-세분구조 분리 이sovotope 이동(DSIS)을 20 Hz의 절대 정확도로 측정하였다.
• 729-nm 전이에 대한 이sovotope 이동 데이터(2 kHz 정확도)를 DSIS 측정치와 융합하여 킹 플롯 분석을 가능하게 하였다.
• 킹 플롯은 729-nm 전이와 732-nm 전이의 이sovotope 이동을 사용하여 비선형성을 검증하였으며, 이는 전자와 중성자와의 새로운 물리학 결합을 시사할 수 있다.
• 필드 이동 비율 $F_{21} = F_{\text{732}}/F_{\text{729}}$는 분수 불확실도 $2 \times 10^{-7}$로 추출되었으며, 다체 양자역학적 섭동 이론(MBPT)에 의해 검증되었다.
• 분석은 향후 Ba$^+$와 Yb$^+$에서의 측정에 대한 민감도 향상 가능성을 확장하였으며, 유사한 정확도 수준을 가정하였다.
• 이론적 모델링는 MBPT 예측과 일치함을 확인하였으며, 이는 이전의 필드 이동 측정치 간의 불일치 문제를 해결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 주파수 조합 라만 분광법을 사용하여 Ca$^+$에서 D-세분구조 분리 이sovotope 이동(DSIS)을 20 Hz 이하의 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 개선된 이sovotope 이동 측정치를 바탕으로 킹 플롯 분석이 전자와 중성자와 결합하는 새로운 물리학 보손에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ3 729-nm 전이와 732-nm 전이 간의 측정된 필드 이동 비율이 다체 양자역학적 섭동 이론(MBPT) 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 이 연구에서의 새로운 물리학 보손 제약 조건은 $(g-2)_e$나 SN 1987A 관측과 같은 다른 실험 결과와 비교하여 어떻게 다를까?
• RQ5 질량 $m_\phi \gtrsim 0.3$ MeV/$c^2$인 새로운 물리학 보손을 탐색하기 위해 DSIS 측정의 정밀도가 어느 정도로 향상되어야 하는가?

주요 결과

• D-세분구조 분리 이sovotope 이동(DSIS)이 $^{40}$Ca$^+$에서 $^{48}$Ca$^+$에 이르기까지 20 Hz의 절대 정확도로 측정되었으며, 이는 약 $\sim 10^{-6}$의 분수 불확실도에 해당한다.
• 필드 이동 비율 $F_{21} = F_{\text{732}}/F_{\text{729}}$는 $1.00148305(20)$로 결정되었으며, 분수 불확실도는 $2 \times 10^{-7}$이었으며, 다체 양자역학적 섭동 이론($F^{\text{MBPT}}_{21} = 1.0016$)과 뛰어난 일치를 보였다.
• 729-nm 전이와 732-nm 전이의 킹 플롯 분석은 전자와 중성자와의 새로운 물리학 결합에 대해 이전에 없던 민감도를 확보하였으며, 이는 DSIS 측정 불확실도에 의해 제한되었다.
• DSIS 데이터와 Knollmann 등(2019)의 최근 729-IS 측정치를 융합함으로써 732-nm 이sovotope 이동이 10 part-per-billion 정확도로 추정되었다.
• 현재의 DSIS 정확도를 10 mHz 수준으로 향상시킬 경우, $m_\phi \gtrsim 0.3$ MeV/$c^2$인 새로운 물리학 보손을 탐색할 수 있으며, 이는 현재 제약 조건이 없는 영역이다.
• Ba$^+$와 Yb$^+$에서 유사 측정을 수행하고 DSIS 정확도를 20 Hz 수준으로 확보할 경우, 새로운 물리학 결합에 대한 더 강력한 제약 조건을 확보할 수 있을 것으로 예측된다.