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

A. D. Brandt, S. F. Cooper+4 more|PubMed|Nov 16, 2021

Atomic and Molecular Physics参考文献 17被引用 6

一句话总结

本研究通过低温原子束与锁相激光技术，实现了对氢原子2S₁/₂–8D₅/₂跃迁的高精度测量，频率为770,649,561,570.9(2.0) kHz，相对不确定度为2.6×10⁻¹²。结果得到质子半径为0.8584(51) fm，里德伯常量为10973731.568332(52) m⁻¹，与CODATA 2018推荐值存在3.1σ的不一致，提示可能存在新物理或系统效应。

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.

研究动机与目标

• 通过降低不确定度重新测量氢原子2S₁/₂–8D₅/2跃迁，以探究质子半径之谜。
• 通过低温原子束技术与亚稳态2S态的光学制备，减少系统误差。
• 利用高精度光谱学检验基本常数（特别是质子半径与里德伯常量）的一致性。
• 通过分析不同跃迁中提取的里德伯常量的n依赖性，探究潜在的新物理。
• 验证两光子跃迁中大矩阵元在提升氢原子光谱测量精度中的作用。

提出的方法

• 采用微波解离与超音速喷嘴生成低温氢原子束，以减小热运动与速度依赖性频移。
• 使用频率稳定化的光频梳，对243 nm与778 nm激光进行锁相，实现绝对频率测量。
• 通过从1S₁/₂基态的两光子激发，光学制备2S₁/₂(F=1)超精细态，避免电子轰击并降低本底噪声。
• 将243 nm与778 nm激光束通过真空腔体在6°角处增强，以提高与原子束的相互作用效率。
• 在法拉第笼内采用差分抽气歧管与磁屏蔽，以最小化塞曼效应与斯塔克效应。
• 通过通道电子倍增器检测778 nm激发至8D₅/2后亚稳态2S₁/₂的淬灭信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢原子2S₁/₂–8D₅/2跃迁的精确频率是多少？其不确定度与以往测量相比如何？
• RQ2 所测得的跃迁频率是否给出与CODATA 2018推荐值一致的质子半径？
• RQ3 提取的质子半径与CODATA 2018值之间的差异是否可由系统效应解释，或暗示新物理？
• RQ4 提取的里德伯常量的n依赖性如何为新物理（如Yukawa型相互作用）的搜索提供信息？
• RQ5 微小修正项（如斯塔克、多普勒与黑体辐射频移）对总不确定度的贡献程度如何？

主要发现

• 测得的2S₁/₂–8D₅/2跃迁共振频率为770,649,561,570.9(2.0) kHz，相对不确定度为2.6×10⁻¹²。
• 从本测量提取的质子半径为0.8584(51) fm，与CODATA 2018推荐值存在3.1σ的不一致。
• 里德伯常量确定为10973731.568332(52) m⁻¹，其不确定度主要由质子半径的确定主导。
• 对频率的微小修正（包括斯塔克效应与二级多普勒效应）总和为-0.16 kHz，联合不确定度为0.82 kHz。
• 数据表明，使用更高n态跃迁时，里德伯常量的值呈现偏高的趋势，提示可能存在n依赖性效应。
• 引入约34 a₀范围的Yukawa势可将里德伯常量提取的减少χ²从~4.0降至~2.0，表明与新物理模型部分一致。