[논문 리뷰] Isotope shift, non-linearity of King plot and search for nuclear island of stability and new particles

V. V. Flambaum, Amy Geddes외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 02.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 임의의 전자 운동량에 적용 가능한 상대론적 단입자 공식을 유도하여, 핵의 안정성의 섬(N=184) 근처의 원소와 초중량 원소 간의 이sovotope 이동 주파수 차이를 추정할 수 있게 한다. 핵의 극성도가 커진다는 점이 King 그림에서 비선형성을 유도함을 보여주며, 이는 핵의 극성도 변화를 측정하고 양자역학적 상호작용을 통해 새로운 입자를 탐지하는 데 활용될 수 있다.

ABSTRACT

The Racah-Rosenthal-Breit formula describes the isotope field shift for s-wave only and is not valid in heavy atoms where the relativistic effects are important. We derive a single-particle relativistic formula for the isotope shift for an arbitrary electron angular momentum; we then apply it to estimate the differences in the transition frequencies between the superheavy atoms produced in laboratory and atoms with nuclei belonging to the hypothetical island of stability (these nuclei have a magical number of neutrons N=184). Our results may be applied to the search for metastable neutron-rich isotopes in astrophysical atomic spectra using the known values of the transition frequencies for the neutron deficient isotopes produced in laboratory. An example may be the spectra of the Przybylski's star where superheavy elements up to Z=99 have been possibly identified. We have found that the nuclear polarizability contribution leads to the significant deviation of the King plot for isotope shifts from the linearity. Therefore, the measurements of the non-linearity of King plots may be applied to measure the nuclear polarizability change between individual isotopes. It was recently suggested that such measurements may also be used to search for new particles mediating Yukawa-type interactions in atoms. We estimate the non-linear corrections to the King plot including contributions of the relativistic effects in the field shift, isotope shift due to the nuclear polarizability, many-body effects and effect of hypothetical new particles. Our estimates provide theoretical limitations on the sensitivity of such a search and should help in selection of the most suitable atoms for corresponding experiments.

연구 동기 및 목표

• 임의의 전자 운동량 양자수에 대해 유효한 상대론적 이sovotope 이동 공식을 개발하기.
• 초중량 원소와 핵의 안정성의 섬(N=184) 근처의 핵 간 전이 주파수 차이를 추정하기.
• 핵의 극성도가 King 그림의 선형성에 어떻게 영향을 주는지 조사하고, 이를 극성도 변화 측정에 활용할 수 있는지 검토하기.
• King 그림의 비선형성이 뉴클레온 유형 상호작용을 매개하는 새로운 입자를 탐지하는 데 어떻게 활용될 수 있는지 평가하기.
• 표준모델을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하기 위한 실험에서 최적의 원자를 선택하는 데 이론적 제약을 제공하기.

제안 방법

• 임의의 전자 운동량 양자수에 적용 가능한 단입자 상대론적 이sovotope 이동 공식 유도하기.
• 이 공식을 Z가 99 이하인 초중량 원소에서 적용하여, 실험적으로 제작된 중성자 부족 이sovotope와 N=184 근처의 가상 중성자 풍부 이sovotope 간의 이sovotope 이동을 계산하기.
• 필드 이동, 핵의 극성도, 다체 효과, 그리고 가상의 새로운 입자 기여를 상대론적 효과와 함께 통합하기.
• 특히 핵의 극성도 기여로 인해 발생하는 King 그림의 비선형 편차를 모델링하기.
• 중성자 부족 이sovotope의 알려진 전이 주파수를 사용하여, 특히 천체 관측에 관련된 중성자 풍부 이sovotope의 이동을 예측하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대론적 효과는 임의의 전자 운동량을 가진 초중량 원소의 이sovotope 이동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 핵의 극성도는 이sovotope 이동에 대한 King 그림의 비선형성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 King 그림의 비선형성은 이sovotope 간 핵의 극성도 변화를 측정하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 King 그림의 비선형성은 원자 내에서 뉴클레온 유형 상호작용을 매개하는 새로운 입자에 대해 이론적으로 얼마나 민감한가?
• RQ5 어떤 원자계가 이sovotope 이동 측정을 통해 이러한 새로운 물리 현상을 탐지하는 데 가장 적합한가?

주요 결과

• 유도된 상대론적 이sovotope 이동 공식은 라카-로젠탈-브라이트 공식의 적용 범위를 상대론적 효과가 뚜렷한 무거운 원소로 확장한다.
• 핵의 극성도는 특히 초중량 원소에서 King 그림의 비선형성에 크게 기여한다.
• King 그림의 비선형성은 이sovotope 간 핵의 극성도 변화를 측정할 수 있는 측정 가능한 지표로 활용될 수 있다.
• 상대론적 효과, 다체 보정, 그리고 가상의 새로운 입자의 포함은 기대되는 King 그림의 곡률을 수정한다.
• 이 모델은 이sovotope 이동 실험의 새로운 입자에 대한 감도에 대한 이론적 한계를 제공하며, 향후 새로운 물리 현상을 탐색하기 위한 최적의 원자 후보를 선정하는 데 도움을 준다.