[논문 리뷰] Lasercooled radium monofluoride: A molecular all-in-one probe for new physics

T. A. Isaev, Robert Berger|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 22.

Advanced Chemical Physics Studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 뉴클레오물리학을 위한 유일하게 유망한 분자 프로브로 라듐 단플루오라이드(RaF)를 제안하며, 직접 레이저 냉각에 유리한 전자 구조와 전자 전기 dipole moment(eEDM) 및 핵 anapole moment 신호의 강한 증폭을 제공한다. RaF의 ${}^{2}\rm \text{Π}$ 기본 상태는 문제를 일으키는 낮은 에너지 상태를 피하고 있으며, YbF를 능가하는 효과적인 전기장 덕분에 $\rm P,T$-짝반전 상호작용에 대한 고감도 탐색이 가능하다.

ABSTRACT

The particular advantages of using the diatomic molecule radium monofluoride (RaF) as a versatile molecular probe for physics beyond the Standard Model are highlighted. i) RaF was previously suggested as being potentially amenable to direct cooling with lasers. As shown in the present work, RaF's energetically lowest electronically excited state is of ${}^{2}Π$ symmetry (in contrast to BaF), such that no low-lying ${}^{2}Δ$ state prevents efficient optical cooling cycles. ii) The effective electric field acting on the unpaired electron in the electronic ground state of RaF is estimated larger than in YbF, from which the best restrictions on the electron electric dipole moment (eEDM) were obtained experimentally. iii) Favourable crossings of spin-rotational levels of opposite parity in external magnetic fields exist, which are important for the measurement of the nuclear anapole moment of nuclei with a valence neutron. Thus, RaF appears currently as one of the most attractive candidates for investigation of parity-odd as well as simultaneously parity- and time-reversal-odd interactions in the realms of molecular physics.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 $\rm P$-짝반전 및 $\rm P,T$-짝반전 상호작용에 대한 고정밀 시험을 가능하게 하는 분자 후보를 규명하는 것.
• 체계적 오차 문제를 해결하기 위해 강력한 억제 메커니즘을 갖춘 분자를 식별하는 것.
• RaF를 전자 전기 dipole moment(eEDM) 및 핵 anapole moment 탐색을 위한 다용도 플랫폼으로 평가하는 것.
• BaF에서 관찰되는 낮은 에너지 상태인 ${}^{2}\rm \text{Δ}$ 상태의 문제를 해결하기 위해 RaF의 전자 구조가 직접 레이저 냉각을 가능하게 한다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 큰 기저함수와 활성 공간을 사용한 Fock-공간 상대론적 쌍대클러스터(FS-RCC) 계산을 통해 RaF와 BaF의 전자 에너지 준위 순서를 결정했다.
• 기본 상태 ${}^{2}\rm \text{Σ}_{1/2}$와 첫 번째(excited) 상태의 분광학적 파arameter(평형 결합 길이 $R_{\rm e}$, 조화 진동수 $\tilde{\nu}_{\rm e}$, 전자 이탈 에너지 $\tilde{T}_{\rm e}$)를 계산했다.
• 스칼라 $\rm P,T$-짝반전 상호작용 매개변수 $W_{\rm s}$를 사용하여 전자에 작용하는 효과적인 전기장 $E_{\rm eff}$를 추정하였으며, $E_{\rm eff} = -\frac{\rm \tilde{\rm \text{Ω}} C_{\rm SP}}{d_{\rm e}} \frac{M_{\rm EDM}}{M_{\rm SPT}} \frac{A}{Z} W_{\rm s}$ 공식을 활용했다.
• 외부 자기장에서 유리한 스핀-회전 준위 교차를 통해 핵 anapole moment 측정 가능성을 평가했다.
• Ra$^+$와 플루오르를 포함한 화합물 간의 반응성 충돌을 통해 형성된 RaF$^+$를 이용한 전하 교환 반응을 통해 중성 RaF를 제조하는 경로를 제안했다.
• 팔루프형 변형을 가진 Ra 동위체(예: $^{225}$Ra, $^{223}$Ra)에서 Schiff 모멘트의 증폭 메커니즘을 평가하였으며, $^{199}$Hg에 비해 최대 100배의 증폭을 예측했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaF에서 문제가 되는 ${}^{2}\rm \text{Δ}$ 상태가 없는 것으로 확인된 RaF는 유리한 전자 구조 덕분에 직접 레이저 냉각이 가능한가?
• RQ2 RaF에서의 전자에 작용하는 효과적인 전기장은 현재 eEDM 탐색의 기준으로 쓰이는 YbF보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 자기장 하에서 RaF에 유리한 스핀-회전 준위 교차가 존재하는가? 이는 고정밀 핵 anapole moment 측정을 가능하게 하는가?
• RQ4 BaF, YbF, HgH, CnH와 같은 다른 분자 후보에 비해 RaF에서 스칼라 $\rm P,T$-짝반전 상호작용은 얼마나 증폭되는가?
• RQ5 특히 팔루프형 변형을 가진 동위체에서 RaF의 핵 구조는 Schiff 모멘트를 크게 증폭시켜 $\rm P,T$-짝반전 상호작용에 대한 감도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• RaF의 최저 전자적으로(excited) 자극 상태는 ${}^{2}\rm \text{Π}$이며, BaF에서 레이저 냉각을 방해하는 낮은 에너지 상태인 ${}^{2}\rm \text{Δ}$ 상태가 없음을 확인하였다.
• RaF에서의 효과적인 전기장 $|E_{\rm eff}|$는 $11 \times 10^{24}~{}\mathrm{Hz}~{}e^{-1}~{}\mathrm{cm}^{-1}$로 추정되었으며, YbF의 $4.4 \times 10^{24}~{}\mathrm{Hz}~{}e^{-1}~{}\mathrm{cm}^{-1}$를 초월하여 전자 전기 dipole moment에 매우 민감함을 나타낸다.
• RaF의 스칼라 $\rm P,T$-짝반전 상호작용 매개변수 $W_{\rm s}$는 $-1500~{}\mathrm{kHz}$로 추정되었으며, BaF($-8.5~{}\mathrm{kHz}$)와 YbF($-41~{}\mathrm{kHz}$)보다 훨씬 크며 강력한 증폭을 의미한다.
• $^{225}$Ra와 $^{223}$Ra의 경우 Schiff 모멘트는 각각 $300$과 $400$으로 $\eta \times 10^8~{}\mathrm{e}~{}\mathrm{fm}^3$ 단위로 예측되었으며, $^{199}$Hg의 $-1.4$에 비해 상당한 증폭을 보였다.
• 큰 기저함수와 활성 공간을 사용한 이론 계산 결과, ${}^{2}\rm \text{Π}$ 상태가 RaF에서 여전히 최저 자극 상태로 유지됨을 확인하여 레이저 냉각에 적합함을 입증하였다.
• RaF$^+$를 전하 교환 반응 또는 표면을 통한 전자 이동을 통해 충돌 기체와 반응시켜 중성 RaF를 제조할 수 있으며, 이는 제안된 플랫폼의 실험적 실현 가능성을 뒷받침한다.