[论文解读] First Measurement of the Atomic Electric Dipole Moment of $^{225}$Ra

Richard H. Parker, Matthew R. Dietrich+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2015

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 8

一句话总结

本论文首次通过光学偶极阱中激光冷却的原子直接测量了 $^{225}$Ra 的原子电偶极矩（EDM），在 95% 置信水平下获得上限值 $|d({}^{225}\text{Ra})| < 5.0 \times 10^{-22}~e\cdot\text{cm}$。实验利用了 $^{225}$Ra 核的八极形变特性及其对时间对称性与宇称对称性破坏相互作用的增强敏感性，为重的、抗磁性原子的 EDM 搜索设立了新基准。

ABSTRACT

The radioactive radium-225 ($^{225}$Ra) atom is a favorable case to search for a permanent electric dipole moment (EDM). Due to its strong nuclear octupole deformation and large atomic mass, $^{225}$Ra is particularly sensitive to interactions in the nuclear medium that violate both time-reversal symmetry and parity. We have developed a cold-atom technique to study the spin precession of $^{225}$Ra atoms held in an optical dipole trap, and demonstrated the principle of this method by completing the first measurement of its atomic EDM, reaching an upper limit of $|$$d$($^{225}$Ra)$|$ $

研究动机与目标

• 测量具有强八极形变核的重、抗磁性原子 $^{225}$Ra 的原子电偶极矩（EDM），以探测标准模型之外的新物理。
• 检验理论预测：由于其独特的核结构，$^{225}$Ra 的 EDM 相较于 $^{199}$Hg 增强了 2–3 个数量级。
• 证明在光学偶极阱中使用激光冷却的 $^{225}$Ra 原子实现高灵敏度 EDM 测量的可行性。
• 为八极形变原子设定新的 EDM 实验极限，提升对涉及时间对称性与宇称对称性破坏的新物理的探测灵敏度。
• 通过识别关键系统效应和优化路径，为未来更高灵敏度实验奠定基础。

提出的方法

• 在驻波光学偶极阱（ODT）中实现 $^{225}$Ra 原子的激光冷却与捕获，以获得长自旋进动时间。
• 利用关系式 $\hbar\omega_{\pm} = 2\mu B \pm 2dE$ 测量在电场（E）和磁场（B）作用下的自旋进动频率 $\omega_{\pm}$，其中 $d$ 为 EDM。
• 使用通过化学分离从 $^{229}$Th 获得的 3 mCi 和 6 mCi $^{225}$Ra 源，在多天内向阱中加载原子。
• 实施三阶段电场循环（平行、反平行和关闭），以测量线性和二次电场响应，并约束系统效应。
• 采用 STIRAP（受激拉曼绝热通道）将一个自旋态转移至长寿命的 3D1 态，从而实现高灵敏度的原子数探测，而非直接探测自旋态。
• 使用蓝色探测光束进行阴影成像以实现探测，目前光子噪声限制了信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 $^{225}$Ra 原子电偶极矩的大小是多少？是否超过当前实验的灵敏度阈值？
• RQ2 $^{225}$Ra 对 T- 和 P-破坏相互作用的增强敏感性，是否可通过自旋进动测量在实验中实现？
• RQ3 在光学偶极阱中进行 EDM 测量时，主要的系统效应是什么？能否将其抑制到未来灵敏度提升所需的水平？
• RQ4 考虑到其独特的核结构，$^{225}$Ra 的 EDM 敏感度与 $^{199}$Hg 及其他 EDM 探针相比如何？
• RQ5 未来 $^{225}$Ra EDM 实验中，为实现 $10^{-28}~e\cdot\text{cm}$ 的统计灵敏度，需要哪些实验升级？

主要发现

• 首次利用光学偶极阱中激光冷却的原子实现了 $^{225}$Ra 原子 EDM 的测量，标志着 EDM 搜索技术的重要里程碑。
• 测得的 EDM 为 $d({}^{225}\text{Ra}) = -(0.5 \pm 2.5_{\text{stat}} \pm 0.2_{\text{syst}}) \times 10^{-22}~e\cdot\text{cm}$，因此在 95% 置信水平下，$|d({}^{225}\text{Ra})| < 5.0 \times 10^{-22}~e\cdot\text{cm}$。
• 对自旋进动相位的二次电场依赖性的约束分别低于 $2 \times 10^{-23}~e\cdot\text{cm}$（3 mCi 运行）和 $5 \times 10^{-24}~e\cdot\text{cm}$（6 mCi 运行），表明在此灵敏度水平下系统效应可忽略。
• 理论分析表明，由于其八极形变和近邻的宇称双重态，$^{225}$Ra 的 EDM 预计比 $^{199}$Hg 大 2–3 个数量级。
• 未来改进措施，包括基于 STIRAP 的探测和更强的激光冷却，有望使 EDM 敏感度提高 20 倍，若使用 $10^6$ 个原子和 100 秒进动时间，100 天内可实现 $10^{-28}~e\cdot\text{cm}$ 的预测统计灵敏度。
• 若 $^{225}$Ra 的 EDM 限制达到 $10^{-25}~e\cdot\text{cm}$ 水平，将至少提高一个数量级，对某些 T- 和 P-破坏电子-核相互作用的约束。