[논문 리뷰] The helion charge radius from laser spectroscopy of muonic helium-3 ions

The CREMA Collaboration, Karsten Schuhmann외 38명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 19.

Atomic and Molecular Physics인용 수 9

한 줄 요약

레이저 분광학으로 muonic helium-3 이온에서 Lamb 시프트, 하이퍼파인 및 미세구조 측정을 통해 강력한 helion (3He) RMS 전하 반지름 r_h = 1.97007(94) fm를 얻는다.

ABSTRACT

Hydrogen-like light muonic ions, in which one negative muon replaces all the electrons, are extremely sensitive probes of nuclear structure, because the large muon mass increases tremendously the wave function overlap with the nucleus. Using pulsed laser spectroscopy we have measured three 2S-2P transitions in the muonic helium-3 ion ($μ^3$He$^+$), an ion formed by a negative muon and bare helium-3 nucleus. This allowed us to extract the Lamb shift $E(2P_{1/2}-2S_{1/2})= 1258.598(48)^{ m exp}(3)^{ m theo}$ meV, the 2P fine structure splitting $E_{ m FS}^{ m exp} = 144.958(114)$ meV, and the 2S-hyperfine splitting (HFS) $E_{ m HFS}^{ m exp} = -166.495(104)^{ m exp}(3)^{ m theo}$ meV in $μ^3$He$^+$. Comparing these measurements to theory we determine the rms charge radius of the helion ($^3$He nucleus) to be $r_h$ = 1.97007(94) fm. This radius represents a benchmark for few nucleon theories and opens the way for precision tests in $^3$He atoms and $^3$He-ions. This radius is in good agreement with the value from elastic electron scattering, but a factor 15 more accurate. Combining our Lamb shift measurement with our earlier one in $μ^4$He$^+$ we obtain $r_h^2-r_α^2 = 1.0636(6)^{ m exp}(30)^{ m theo}$ fm$^2$ to be compared to results from the isotope shift measurements in regular He atoms, which are however affected by long-standing tensions. By comparing $E_{ m HFS}^{ m exp}$ with theory we also obtain the two-photon-exchange contribution (including higher orders) which is another important benchmark for ab-initio few-nucleon theories aiming at understanding the magnetic and current structure of light nuclei.

연구 동기 및 목표

• muonic helium-3 이온에서 세 가지 2S-2P 전이를 측정해 핵심 에너지 분할(람 시프트, 2S 하이퍼파인, 2P 미세구조)을 추출한다.
• 실험 람 시프트를 이론과 비교해 helion RMS 전하 반지름을 추출한다.
• 가벼운 핵에서의 이온-양자 간 상호작용(두 광자 교환) 기여 및 핵 구조 효과를 벤치마크한다.

제안 방법

• 5 T 솔레노이드 내부의 저압 3He 표적에서 keV μon들을 멈추게 하여 muonic He+ 이온을 형성한다.
• 850–940 nm 주변의 다중 통과 광섬유 공동으로 2S→2P 전이를 구동하는 펄스 레이저 분광을 사용한다.
• 레이저 발사와 시간적으로 일치하는 2P→1S 비교해소에서 8 keV Kα X선의 방출을 탐지하여 공명 위치를 찾는다.
• 포화 및 레이저 에너지 변동에 보정된 선형 모양 피팅으로 전이 주파수를 추출한다.
• 측정된 에너지 차이를 E_LS, E_HFS, E_FS와 연관된 연립방정식을 업데이트된 2P 준위 이론 및 2P 중심치 규칙을 사용해 풀이한다.

Figure 1: Scheme (not to scale) of the $n=2$ energy levels in $\mu^{3}$ He + and the measured transitions. Due to the negative magnetic moment of the helion, the ordering of the hyperfine levels is reversed.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 muonic 3He+에서 세 가지 측정 전이로부터 추론된 Lamb 시프트 E_LS는 무엇인가?
• RQ2 데이터로부터 추출된 2S 하이퍼파인 분리 E_HFS 및 2P 미세 분열 E_FS는 무엇인가?
• RQ3 현대 이론과 결합했을 때 E_LS로부터 얻은 helion 전하 반지름 r_h는 무엇인가?
• RQ4 측정된 E_HFS가 2페 교환(2PE) 및 더 높은 차수의 핵 구조 기여에 어떤 제약을 주는가?
• RQ5 결과가 탄성 전자 산란 및 핵 이론 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• r_h = 1.97007(94) fm, 실험 및 이론 입력으로부터 도출된 Lamb 시프트에서 얻어진 값이다.
• E_LS^exp = 1258.598(48) meV 및 E_HFS^exp = -166.496(104) meV은 이론과 결합한 결과이며, E_FS^exp = 144.958(114) meV이다.
• 측정된 E_FS^exp는 이론과 일치한다: 144.979(5) meV로 2P 준위 이론을 검증한다.
• 동위원소 시프트 기반 양은 r_h^2 - r_alpha^2 = 1.0636(6)(30) fm^2이며, muonic 3He+와 muonic 4He+ 데이터를 결합한 값이다. 이는 규칙적 He 원자에서 암스테르담 결과와의 3.6 시그마 긴장감을 보인다.
• 결과는 이전의 탄성 산란 결정에 비해 helion 반지름의 정밀도를 약 15배 향상시키며 해당 값을 확인한다.

Figure 2: Sketch of the experimental setup. CT cyclotron trap, MEC muon extraction channel, Ti:Sa Titanium-sapphire laser, Yb:YAG thin-disk laser, SHG second harmonic generation. The arrows indicate the electric field of the $E\times B$ Wien-filter.