[논문 리뷰] Measurement of the $2$S$_{1/2}-8$D$_{5/2}$ transition in hydrogen

A. D. Brandt, S. F. Cooper외 4명|PubMed|2021. 11. 16.

Atomic and Molecular Physics참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 냉각된 원자 비임을 사용하고 위상 잠금 레이저를 적용하여, 상대 불확도 2.6×10⁻¹²로 770,649,561,570.9(2.0) kHz에서 수소의 2S₁/₂–8D₅/₂ 전이에 대한 고정밀 측정을 보고한다. 이 결과는 0.8584(51) fm의 양성자 반경과 10973731.568332(52) m⁻¹의 리드버그 상수를 도출하며, 이는 CODATA 2018 값과 3.1σ의 불일치를 보이며 잠재적인 새로운 물리학 또는 시스템적 오차를 시사한다.

ABSTRACT

We present a measurement of the hydrogen 2S_{1/2}-8D_{5/2} transition performed with a cryogenic atomic beam. The measured resonance frequency is ν=770649561570.9(2.0) kHz, which corresponds to a relative uncertainty of 2.6×10^{-12}. Combining our result with the most recent measurement of the 1S-2S transition, we find a proton radius of r_{p}=0.8584(51) fm and a Rydberg constant of R_{∞}=10973731.568332(52) m^{-1}. This result has a combined 3.1σ disagreement with the Committee on Data for Science and Technology (CODATA) 2018 recommended value.

연구 동기 및 목표

• 양성자 반경 퍼즐을 탐구하기 위해 불확도를 향상시켜 수소의 2S₁/₂–8D₅/2 전이 재측정.
• 냉각된 원자 비임 기술과 불안정 상태인 2S 상태의 광학적 준비를 통해 시스템적 오차를 감소.
• 고정밀 분광법을 사용하여 기본 상수, 특히 양성자 반경과 리드버그 상수의 일관성을 시험.
• 다양한 전이에서 추출된 리드버그 상수의 n-의존성을 분석하여 잠재적인 새로운 물리학을 조사.
• 큰 행렬 요소를 가진 이광자 전이가 수소 분광법의 정밀도 향상에 기여하는 역할을 검증.

제안 방법

• 열운동과 속도에 의존하는 이완 효과를 줄이기 위해 마이크로파 분해와 슈퍼소닉 nozle를 이용해 냉각된 수소 원자 비임을 생성.
• 절대 주파수 측정을 위해 주파수 안정화된 광주기(주파수 복합체)를 사용하여 243 nm 및 778 nm 레이저를 위상 잠금.
• 1S₁/₂ 기본 상태에서 이광자 전이로 2S₁/₂(F=1) 초구형 상태를 광학적으로 준비하여 전자 빔에 의한 영향을 피하고 배경을 감소.
• 원자 비임과 6° 각도로 배치된 진공 내 광학 공진기로 243 nm 및 778 nm 레이저 빔을 강화하여 상호작용 효율을 증가.
• 제임스-스테이크 효과 및 자장 효과를 최소화하기 위해 팔라디움 케이지 내부에 차분 펌프 맨폴드와 자석 차폐를 적용.
• 778 nm 전이로 8D₅/2 상태로 전이된 후, 채널 전자 배승기로 불안정 상태인 2S₁/₂ 상태의 냉각을 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소의 2S₁/₂–8D₅/2 전이의 정밀 주파수는 얼마이며, 이는 이전 측정과 비교해 어떤 불확도를 갖는가?
• RQ2 측정된 전이 주파수가 CODATA 2018 권고 값과 일치하는 양성자 반경을 도출하는가?
• RQ3 추출된 양성자 반경과 CODATA 2018 간의 불일치는 시스템적 오차 또는 새로운 물리학에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 추출된 리드버그 상수의 n-의존성은 양성자 반경 퍼즐과 관련된 새로운 물리학, 예를 들어 요쿠다 타입의 상호작용을 탐색하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 스태르크, 도플러 및 블랙바디 복사 이완 효과 등의 미세 보정이 총 불확도에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 측정된 2S₁/₂–8D₅/2 전이의 공명 주파수는 770,649,561,570.9(2.0) kHz이며, 상대 불확도는 2.6×10⁻¹²이다.
• 이 측정에서 도출된 양성자 반경은 0.8584(51) fm이며, 이는 CODATA 2018 권고 값과 3.1σ의 불일치를 보인다.
• 리드버그 상수는 10973731.568332(52) m⁻¹로 결정되었으며, 이는 주로 양성자 반경 결정의 불확도에 의해 지배된다.
• 스태르크 및 2차 도플러 효과를 포함한 주파수 보정은 총 -0.16 kHz이며, 병합 불확도는 0.82 kHz이다.
• 고차수의 n 상태로의 전이를 사용할수록 리드버그 상수 값이 높아지는 경향을 보이며, 이는 n-의존적 효과가 있을 수 있음을 시사한다.
• ~34 a₀의 범위를 가진 요쿠다 포텐셜은 리드버그 상수 추출의 줄여진 χ²를 약 ~4.0에서 ~2.0으로 감소시키며, 새로운 물리학 모델과의 부분적 일치를 나타낸다.