光格子中の多原子分子を用いた電子の電気双極子モーメント測定の可能性

核心概念

本稿では、光格子に捕捉したBaOH分子を用いて、これまで以上の精度で電子の電気双極子モーメント（eEDM）を測定する実験方法を提案する。

要約

光格子中の多原子分子を用いた電子の電気双極子モーメント測定の可能性

本稿は、光格子に捕捉した¹³⁸BaOH分子を用いて電子の電気双極子モーメント（eEDM）を高精度で測定する実験計画を提案する研究論文である。

本研究の目的は、CP対称性の破れを検証するために、これまで以上の精度でeEDMを測定することである。eEDMは標準模型を超える物理の存在を示唆する可能性があり、その測定は素粒子物理学の未解決問題に迫る上で重要である。

本研究では、¹³⁸BaOH分子を光格子に捕捉し、そのスピン歳差運動を高精度で測定することでeEDMを検出する。BaOH分子はレーザー冷却が可能であり、光格子に捕捉することで長いコヒーレンス時間が期待できるため、高精度な測定に適している。
本稿では、実験装置の概念設計、測定精度の見積もり、系統誤差の評価などが詳細に議論されている。特に、光格子による捕捉、スピン歳差運動の検出、磁場や電場の制御など、実験の主要な要素について詳細な検討が行われている。

抽出されたキーインサイト

Prospects for measuring the electron's electric dipole moment with polyatomic molecules in an optical lattice

by Roma... 場所 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00441.pdf

深掘り質問

BaOH分子をeEDM測定に用いることの利点と欠点

他の分子種と比較したBaOH分子をeEDM測定に用いることの利点と欠点は以下の通りです。
利点

レーザー冷却が可能: BaOH分子はレーザー冷却が可能なため、ドップラー冷却や磁気光学トラップ(MOT)といった手法を用いて、低い温度に冷却することができます。低い温度は、長い相互作用時間とそれに伴う感度の向上に繋がり、分子の運動による系統誤差を抑制できます。
大きな有効内部電場: BaOH分子は重い原子であるバリウム(Ba)を含んでおり、大きな有効内部電場を持ちます。有効内部電場は、電子の電気双極子モーメント(eEDM)と相互作用し、eEDMによるエネルギーシフトを増強する効果があります。
比較的小さな質量: BaOH分子は、他のeEDM測定の候補となる分子種(例えばThOやHfF+)と比較して、比較的小さな質量を持っています。そのため、光格子中でトラップしやすく、トラップ中の分子の運動状態による系統誤差を抑制できます。
低い電場で分極可能: BaOH分子の基底電子状態($\tilde{X}^2\Sigma^+$)は、比較的小さな電場で分極可能です。そのため、実験に必要な電場強度を小さくすることができ、電場による系統誤差を抑制できます。
欠点

複雑なエネルギー準位構造: BaOH分子は、他の二原子分子と比較して、より複雑なエネルギー準位構造を持っています。そのため、レーザー冷却や状態準備、検出などの実験操作が複雑になります。
分子源の輝度: BaOH分子の生成には、レーザーアブレーションや化学反応などの方法が用いられますが、他の分子種と比較して、分子源の輝度が低いことが課題となります。分子源の輝度が低いと、トラップできる分子数が少なくなり、統計精度が低下する可能性があります。

光格子による分子の運動状態への影響

自由空間では、分子の運動状態はeEDM測定において、以下のような影響を与えます。

ドップラー効果: 分子の熱運動によるドップラー効果は、遷移周波数を変化させ、測定精度を低下させます。
不均一な電場や磁場との相互作用: 分子の運動により、不均一な電場や磁場との相互作用時間が変化し、系統誤差を引き起こす可能性があります。
光格子を用いることで、これらの影響を抑制することができます。

運動の凍結: 光格子中の分子は、トラップポテンシャルによって空間的に閉じ込められ、運動エネルギーが量子化されます。十分に強いトラップポテンシャルを用いることで、分子の運動を effectively に凍結し、ドップラー効果や不均一な場との相互作用を抑制することができます。
長い相互作用時間: 光格子中の分子は、長い時間トラップ状態を維持することができるため、長い相互作用時間を実現することができます。

標準模型を超える物理の証拠

本研究で提案されている実験方法によって、標準模型を超える物理の証拠が得られる可能性は、eEDMの測定感度と、標準模型を超える物理によって予測されるeEDMの大きさに依存します。
本研究では、10-30 e cmという、これまでの実験を上回る感度でのeEDM測定を目指しています。これは、標準模型を超える多くの物理モデルに対して、十分に高い感度です。
もし、標準模型を超える物理によって予測されるeEDMの大きさが、本研究の測定感度よりも大きければ、eEDMの信号を検出することができ、標準模型を超える物理の証拠を得ることができます。
一方、標準模型を超える物理によって予測されるeEDMの大きさが、本研究の測定感度よりも小さければ、eEDMの信号を検出することはできません。しかし、eEDMの上限値を更新することで、標準模型を超える物理モデルに対して、より厳しい制限を与えることができます。
いずれにせよ、本研究は、標準模型を超える物理の探索において、重要な役割を果たす可能性があります。