[论文解读] TRI mu P - A new facility to investigate fundamental interactions with optically trapped radioactive atoms

K. Jungmann|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2002

Particle accelerators and beam dynamics被引用 10

一句话总结

TRIµP 是位于格罗宁根 KVI 的一个新设施，旨在对放射性同位素进行产生、减速和捕获，以实现对基本对称性的高精度研究。该设施利用重离子束在直接或逆向运动学下发生碎片化反应，随后通过组合的碎片与反冲分离器，实现对核β衰变相关性的高精度测量，并开展永久电偶极矩的搜索，为高能物理提供一种互补方法，具有揭示标准模型之外新物理的潜力。

ABSTRACT

At the Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen, NL, a new facility (TRI$\mu$P) is under development. It aims for producing, slowing down and trapping of radioactive isotopes in order to perform accurate measurements on fundamental symmetries and interactions. A spectrum of radioactive nuclids will be produced in direct, inverse kinematics of fragmentation reactions using heavy ion beams from the superconducting AGOR cyclotron. The research programme pursued by the KVI group includes precision studies of nuclear $\beta$-decays through $\beta$--neutrino (recoil nucleus) momentum correlations in weak decays and searches for permanent electric dipole moments in heavy atomic systems. This offers a large potential for discovering new physics or to limit parameters in models beyond standard theory significantly. The scientific approach chosen in TRI$\mu$P can be regarded as complementary to such high energy physics. The facility in Groningen will be open for use by the worldwide community of scientists.

研究动机与目标

• 通过在被捕获的放射性原子上进行高精度测量，研究基本对称性与相互作用。
• 通过探测核β衰变中的偏差以及永久电偶极矩，寻找标准模型之外的新物理。
• 为全球科学界提供一个用户设施，支持原子、核物理和粒子物理领域的实验。
• 利用 20Na 和 21Na 等同位素进行高精度光谱学，研究弱相互作用中的宇称破坏。
• 通过使用低温、极化的β发射体，实现表面科学和β-NMR 的未来应用。

提出的方法

• 利用超导 AGOR 回旋加速器提供的重离子束，在直接或逆向运动学下通过碎片化反应产生放射性同位素。
• 采用结合碎片与反冲分离器，利用双极磁铁和四极磁铁，根据质量和动量选择并聚焦离子，通过充气区控制电荷态。
• 离子在气体调节器中减速，并通过射频保罗阱中的缓冲气体冷却，实现径向约束和光束束团化。
• 中性化原子随后被捕获在磁光阱（MOT）中，以实现光学操控和高精度光谱学。
• 该设施采用β衰变中的高精度动量与角相关性测量，提取对非V-A相互作用敏感的系数D。
• 电偶极矩搜索聚焦于如镭等高度可极化原子，利用其内部强电场，并在激发态中实现增强灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过精确测量电子与中微子的动量相关性，探测β衰变中的非V-A相互作用？
• RQ2 原子中永久电偶极矩的极限是多少？它们如何约束标准模型之外的新物理模型？
• RQ3 通过在短寿命同位素（如钫）上进行高精度测量，原子结构计算的精度可提升到何种程度？
• RQ4 被捕获的放射性原子如何推动表面科学和β-NMR 的新应用？
• RQ5 TRIµP 装置对弱相互作用中宇称破坏效应的灵敏度如何，特别是在碱金属和碱土金属体系中？

主要发现

• TRIµP 设施设计可实现β衰变动量相关性测量的亚千分之一精度，从而能够探测非V-A相互作用。
• 该设施预计可达到 10−27 e·cm 量级的电偶极矩灵敏度，接近当前实验灵敏度的极限。
• 20Na 和 21Na 的光学捕获是可行的，其中 20Na 尤为合适，因其有利的核自旋和衰变特性。
• 与汞原子相比，激发态的镭同位素可将电偶极矩灵敏度提高数个数量级。
• 该设施有望实现对钫同位素弱相互作用效应的首次高精度测量，其灵敏度比铯高出18倍。
• TRIµP 装置的设计允许首次对亚稳态氖原子进行光学捕获，为轻同位素的高精度研究开辟新途径。