[論文レビュー] Isotope shift, non-linearity of King plot and search for nuclear island of stability and new particles

V. V. Flambaum, Amy Geddes+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2017

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、任意の電子角運動量に対して適用可能な相対論的単粒子式を導出し、超重元素と核の安定性の島（N=184）近辺の核との間の遷移周波数差を推定することを可能にする。核の極効性がキングプロットにおける顕著な非線形性を引き起こすことが示され、これは核の極効性の変化を測定し、ヤコビ型相互作用を介して新しい粒子を探索するのにも利用可能である。

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.

研究の動機と目的

• 任意の電子角運動量を有する重い原子に適用可能な相対論的同位体シフト式の開発。
• 超重元素と核の安定性の島（N=184）近辺の核との間の遷移周波数差の推定。
• 核の極効性がキングプロットの線形性に与える歪みの調査、およびその歪みを用いた極効性変化の測定可能性の検討。
• キングプロットの非線形性が、ヤコビ型相互作用を介して新しい粒子を探索するためのプローブとしての可能性の評価。
• 標準模型を超える新しい物理を探索する実験において、最適な原子を選定するための理論的制約の提供。

提案手法

• 任意の電子角運動量量子数に適用可能な単粒子的相対論的同位体シフト式の導出。
• Zが99までの超重元素における同位体シフトの計算にこの式を適用し、特に実験的に生成された中性子欠乏同位体とN=184近辺の仮想の中性子過剰同位体を比較。
• 場のシフトにおける相対論的効果、核の極効性、多体効果、および仮想的新粒子の寄与を組み込む。
• 特に核の極効性に起因する非線形なずれをモデル化し、キングプロットにおける非線形性を再構築。
• 既知の中性子欠乏同位体の遷移周波数を用いて、中性子過剰同位体におけるシフトを予測し、特に宇宙背景観測に関連するものとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的効果は、任意の電子角運動量を有する超重元素における同位体シフトにどのように影響するか？
• RQ2 核の極効性は、同位体シフトのキングプロットにおいて、どの程度非線形性を引き起こすか？
• RQ3 キングプロットの非線形性を、同位体間の核の極効性変化の測定に利用できるか？
• RQ4 キングプロットの非線形性が、ヤコビ型相互作用を介して新しい粒子を探索する際の理論的感度はどの程度か？
• RQ5 どの原子系が、同位体シフト測定を通じてこのような新しい物理を検出するのに最も適しているか？

主な発見

• 導出された相対論的同位体シフト式は、ラカ・ローゼンタール＝ブロイト式の適用範囲を、顕著な相対論的効果を示す重い原子へ拡張する。
• 核の極効性は、特に超重元素において、キングプロットにおける非線形性に顕著な寄与を示す。
• キングプロットにおける非線形性は、同位体間の核の極効性変化を測定可能な測定可能な代理指標として利用可能である。
• 相対論的効果、多体補正、および仮想的新粒子の取り入れにより、期待されるキングプロットの曲率が変化する。
• 本モデルは、同位体シフト実験における新しい粒子に対する感度の理論的限界を提供し、今後の新しい物理探索に向けた最適な原子候補の選定を支援する。