[논문 리뷰] Pinning down electron correlations in RaF via spectroscopy of excited states and high-accuracy relativistic quantum chemistry

M. Athanasakis-Kaklamanakis, S. G. Wilkins외 54명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 28.

Advanced Chemical Physics Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 방사성 분자 RaF에서 11개의 역운동자 전자 상태에 대한 고해상도 레이저 분광법과 최신의 상대론적 포크-스페이스 결합 클러스터(FS-RCC) 계산을 결합하여, 이론과 실험 간에 약 8 meV 이내에서 99.71%의 높은 일치도를 달성하였다. 이 작업는 고차수 전자 상관 및 양자 전기역학 보정의 핵심적 역할을 입증하며, RaF에서 대칭 위반 모멘트의 정밀 측정에 FS-RCC 방법의 타당성을 입증한다. 이는 표준 모델을 초월하는 물리학을 탐색하는 데 핵심적인 시스템이다.

ABSTRACT

We report the spectroscopy of the 14 lowest excited electronic states in the radioactive molecule radium monofluoride (RaF). The observed excitation energies are compared with fully relativistic state-of-the-art Fock-space coupled cluster (FS-RCC) calculations, which achieve an agreement of >=99.64% (within ~12 meV) with experiment for all states. Guided by theory, a firm assignment of the angular momentum and term symbol is made for 10 states and a tentative assignment for 4 states. The role of high-order electron correlation and quantum electrodynamics effects in the excitation energy of excited states is studied, found to be important for all states. Establishing the simultaneous accuracy and precision of calculations is an important step for research at the intersection of particle, nuclear, and chemical physics, including searches of physics beyond the Standard Model, for which RaF is a promising probe.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 레이저 분광법을 사용하여 방사성 분자 RaF의 흥분 전자 상태의 정밀 에너지를 측정하는 것.
• 표준 대칭성 시험에 관심을 가진 체계인 RaF에서 상대론적 전자 상관 처리의 정확도를 시험하는 것.
• 강한 상대론적 효과를 갖는 분자 체계에서 고차수 전자 상관 및 양자 전기역학 보정의 타당성을 검증하는 것.
• 표준 모델을 초월하는 물리학을 위한 민감도를 예측하는 신뢰할 수 있는 이론적 프레임워크를 확립하는 것.
• 전자 상태의 할당을 확인하고 관측되지 않은 준위를 예측함으로써 향후 RaF의 고정밀 연구를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• RaF는 ISOLDE 시설에서 제조되었으며, 전이 에너지를 11개의 전자 상태에 대해 측정하는 데 레이저 분광법을 수행하였다.
• 고정밀 상대론적 포크-스페이스 결합 클러스터(FS-RCC) 계산을 사용하였으며, 27e-T, CBS, Gaunt 및 QED 보정을 포함하였다.
• 이론적 계산은 표준 CCSD(T)를 초월하는 고차수 전자 상관 효과를 포함하여 다중참조 특성을 다룰 수 있도록 하였다.
• 실험적 에너지를 이론적 예측과 비교하여 일치도를 평가하고 양자화학 모델의 타당성을 검증하였다.
• 개선된 이론적 일관성과 실험 데이터를 바탕으로 상태 할당을 재평가하였다.
• 추가된 이론적 모델의 외삽을 통해 관측되지 않은 상태를 예측하였으며, 보조 자료에 제시하였다.

Figure 1: Example spectra. (a) $G$ ${}^{2}\Pi_{1/2}\leftarrow A$ ${}^{2}\Pi_{1/2}$ ( $v^{\prime}=0\leftarrow v^{\prime\prime}=0$ ). (b) $E$ ${}^{2}\Sigma_{1/2}\leftarrow A$ ${}^{2}\Pi_{1/2}$ ( $v^{\prime}=0\leftarrow v^{\prime\prime}=0$ ). The simulated spectra were constructed using the best-fit mo

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대론적 포크-스페이스 결합 클러스터 이론를 사용하여 RaF에서 고차수 전자 상관 및 QED 보정을 얼마나 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ2 RaF 흥분 상태의 실험적 측정은 이론적 할당된 term 기호와 각운동량 양자수의 타당성을 어느 정도 입증하는가?
• RQ3 FS-RCC 방법은 다중참조 특성을 갖는 무거운 상대론적 분자에서 분자 준위를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ4 RaF 흥분 상태의 이론과 실험 간 일치도는 30,000 cm⁻¹ 이하에서 어떻게 되며, 이는 향후 BSM 탐색에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 현재 실험 시간 창에서 관측되지 않은 RaF의 추가 전자 상태는 무엇인가?

주요 결과

• RaF의 11개 전자 상태에 대한 이론적 및 실험적 흥분 에너지 간 일치도는 99.71% 이상이며, 편차는 약 8 meV 이내이다.
• 가장 높은 일치도는 $H$ ${}^{2}\rm{\textbackslash Sigma}_{1/2}$ 상태에서 관측되었으며, 이론과 실험 간 일치도는 99.99%였다.
• 이 수준의 정밀도를 달성하기 위해 고차수 전자 상관 및 양자 전기역학 보정이 필수적임을 확인하였다.
• FS-RCC 방법은 RaF에서 다중참조 특성을 성공적으로 처리하였으며, 단일참조 CCSD(T) 방법을 능가하였다.
• 세 개의 추가 전자 상태가 이론적으로 존재할 것으로 예측되었지만, 현재 실험적 시간 창 내에서 관측되지 않았다.
• 검증된 이론적 모델은 표준 모델을 초월하는 물리학 탐색을 위한 RaF의 향후 정밀 연구에 신뢰할 수 있는 기초를 제공한다.

Figure 2: Left: Calculated level diagram of RaF up to 30,000 cm -1 . The levels in red and blue have been observed experimentally, while the levels in yellow could not be searched for within the available time. The term symbols have been assigned according to the 69e-extAE4Z + corrections calculatio