[论文解读] Evidence of Two-Source King Plot Nonlinearity in Spectroscopic Search for New Boson

Joonseok Hur, Diana Prado Lopes Aude Craik+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Nuclear physics research studies参考文献 81被引用 66

一句话总结

本研究报告了在被捕获的¹⁶⁸–¹⁷⁶Yb⁺离子的2S₁/₂ → 2F₇/₂电四极跃迁光谱测量中，King图出现240σ的非线性，表明同位素位移数据存在显著的非线性偏离。该非线性归因于核效应，通过使用Fayans泛函的核密度泛函理论进行解释，同时识别出第二个、较小的非线性源，显著性水平为4.3σ，提示可能存在超出标准模型的新物理。

ABSTRACT

Optical precision spectroscopy of isotope shifts can be used to test for new forces beyond the Standard Model, and to determine basic properties of atomic nuclei. We measure isotope shifts on the highly forbidden ${}^2S_{1/2} ightarrow {}^2F_{7/2}$ octupole transition of trapped $^{168,170,172,174,176}$Yb ions. When combined with previous measurements in Yb$^+$ and very recent measurements in Yb, the data reveal a King plot nonlinearity of up to 240$\sigma$. The trends exhibited by experimental data are explained by nuclear density functional theory calculations with the Fayans functional. We also find, with 4.3$\sigma$ confidence, that there is a second distinct source of nonlinearity, and discuss its possible origin.

研究动机与目标

• 通过搜索同位素位移中可能表明新规范 boson 在夸克与电子之间介导相互作用的偏离，来检验标准模型之外的新物理。
• 解析由Yb⁺离子光学光谱得到的King图中非线性的起源，区分核效应与新物理贡献。
• 从同位素位移数据中提取精确的核性质，以改进核能量密度泛函。
• 研究观察到的King图非线性是否源于高阶核效应，或来自假设的新规范 boson。

提出的方法

• 对单个被捕获的¹⁶⁸–¹⁷⁶Yb⁺离子中高度禁戒的2S₁/₂ → 2F₇/₂电四极跃迁进行了高精度激光光谱测量，能量分辨率约为500 Hz。
• 测量了五个偶数质量数Yb同位素的同位素位移（νAA′），并将结果与Yb⁺和中性Yb的先前数据结合，构建了归一化的频率King图。
• 采用归一化King图形式（νAA′_γ = fγτ + KγτµAA′ + G(4)_γτ δ⟨r⁴⟩AA′ + G(2)_γτ [δ⟨r²⟩²]AA′ + υneDγτaAA′）以分离非线性贡献。
• 应用使用Fayans泛函的核密度泛函理论（DFT）来模拟核电荷半径及更高阶矩，与观测到的同位素位移趋势相匹配。
• 通过使用三个跃迁（α, β, γ, δ, ε）进行三维King图拟合，检验是否存在超出主要核效应的额外非线性。
• 通过耦合参数υneDγτaAA′量化对新规范 boson 的敏感性，D因子使用先进的原子结构代码（GRASP2018, ambit）计算以确保稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 同位素位移光谱能否检测到King图中偏离线性的信号，从而揭示新规范 boson 在夸克-电子相互作用中的介导作用？
• RQ2 由Yb⁺和中性Yb数据构建的King图中观察到的240σ非线性，其起源是什么？
• RQ3 该非线性是否与核密度泛函理论预测的核效应一致，还是指向新物理？
• RQ4 是否存在第二个、较小的非线性源？若存在，其物理起源可能是什么？
• RQ5 精确的同位素位移测量如何有助于校准核能量密度泛函？

主要发现

• 在结合Yb⁺（2S₁/₂ → 2F₇/₂）和中性Yb数据构建的King图中，观察到240σ的非线性，表明存在极显著的线性偏离。
• 观察到的非线性模式可被使用Fayans泛函的核密度泛函理论一致解释，与形变Yb同位素的基态性质相匹配。
• 在95.7%置信水平下识别出第二个、较小的非线性源，显著性为4.3σ，提示可能存在超出标准模型的新物理贡献。
• 2S₁/₂ → 2F₇/₂跃迁使非线性程度相比以往的四极跃迁提高了20倍，这是由于电子组态发生显著变化所致。
• 报告了¹⁶⁸Yb⁺至¹⁷⁶Yb⁺的绝对跃迁频率，不确定性低于37 Hz，为高精度核物理与原子物理测试提供了可能。
• 在1 eV至100 MeV/c²的多种质量范围内，量化了对新规范 boson（φ）的敏感性，D因子通过多种原子结构代码计算以确保结果稳健。