[论文解读] Probing Atomic Higgs-like Forces at the Precision Frontier

Cédric Delaunay, Roee Ozeri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2016

Advanced Frequency and Time Standards被引用 9

一句话总结

本文提出利用原子钟中的高精度同位素位移光谱学探测由希格斯样粒子或轻标量玻色子介导的新基本相互作用。通过分析多个跃迁中同位素位移的King图非线性性，表明亚Hz量级的频率测量可探测电子与中子之间的希格斯介导相互作用，有望将当前对轻费米子耦合的约束提高几个数量级。

ABSTRACT

We propose a novel approach to probe new fundamental interactions using isotope shift spectroscopy in atomic clock transitions. As concrete toy example we focus on the Higgs boson couplings to the building blocks of matter: the electron and the up and down quarks. We show that the attractive Higgs force between nuclei and their bound electrons, that is poorly constrained, might induce effects that are larger than the current experimental sensitivities. More generically, we discuss how new interactions between the electron and the neutrons, mediated via light new degrees of freedom, may lead to measurable non-linearities in a King plot comparison between isotope shifts of two different transitions. Given state-of-the-art accuracy in frequency comparison, isotope shifts have the potential of being measured with sub-Hz accuracy, thus potentially enabling the improvement of current limits on new fundamental interactions. Candidate atomic system for this measurement require two different clock transitions and four zero nuclear spin isotopes. We identify several systems that satisfy this requirement and also briefly discuss existing measurements. We consider the size of the effect related to the Higgs force and the requirements for it to produce an observable signal.

研究动机与目标

• 开发一种基于轻希格斯样粒子介导的新基本相互作用的新型低能精密测试方法。
• 解决希格斯玻色子与轻费米子（特别是电子和上下夸克）耦合常数约束不足的问题。
• 在希格斯玻色子已被发现的背景下，改进现有实验对希格斯-轻费米子耦合的约束，尽管目前这些约束仍较弱。
• 识别具有多个钟跃迁和零自旋同位素的原子体系，以探测King图中的非线性性。

提出的方法

• 利用具有亚Hz频率分辨率的原子钟中的同位素位移光谱学探测新物理。
• 应用一阶微扰理论，通过Yukawa型势能计算希格斯诱导的能级位移：VHiggs(r) = −(yeyA / 4π) (e−rmh / r)。
• 使用夸克层次耦合建模有效核耦合 yA：yn,p ≈7.7yu + 9.4yd + 0.75ys + 2.6×10−4cg。
• 采用King图分析检测由电子与中子之间新标量相互作用引起的非线性性。
• 同时考虑希格斯交换以及与轻标量媒介子（φ）的混合，后者会诱导额外的Yukawa势能。
• 识别出候选体系如 Yb+、Ca+、Sr+ 和 Hg，其具有多个钟跃迁和四个稳定的零自旋同位素。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚Hz精度的同位素位移测量中，能否探测到由新电子-中子相互作用引起的King图非线性性？
• RQ2 在当前实验频率精度下，Higgs力诱导的频率位移最大可达到多少？
• RQ3 Higgs对轻夸克和电子的耦合如何影响原子跃迁频率？这些耦合能否在超出LHC约束的范围内被探测？
• RQ4 哪些原子体系最适合通过同位素位移光谱学中的非线性King图探测新物理？
• RQ5 同位素位移测量在多大程度上可以改进对轻费米子与希格斯玻色子或新标量媒介子耦合的约束？

主要发现

• 若夸克耦合达到LHC约束的上限，希格斯介导的电子-核相互作用在原子能级中诱导的能级位移可比标准模型预测大至106倍。
• 希格斯诱导的频率位移与 δEHiggs ∝ −(yeyA / m2h) |ψ(0)|2 成正比，其中 |ψ(0)|2/n3 表示原子核处的电子密度。
• 在 Yb+ 中，希格斯位移估计约为 ~1 Hz，当前亚Hz频率分辨率下可能可观测。
• 由希格斯与轻标量媒介子φ混合引起的电子-中子新标量相互作用，其在Ca+和Sr+等体系中导致的King图非线性性，可在约1 Hz量级被探测。
• 该方法对电子-中子耦合的约束灵敏度可与现有LHC或原子物理约束相当，甚至更优。
• Yb+、Ca+、Sr+ 和 Hg 等体系因具有多个钟跃迁和四个稳定的零自旋同位素，被识别为最优候选体系。