用冷原子方法寻找逆磁性原子的固有电偶极矩

A permanent electric dipole moment (EDM) of an atom signifies the violation of both parity (P) and time-reversal (T) symmetries. Measurements of atomic EDM open a promising avenue towards new physics beyond the Standard Model. We collaborate with Argonne National Laboratory to measure the atomic EDM of 225Ra. The experiment so far successfully demonstrated the feasibility of EDM measurements with cold atoms. We aim to improve the measurement upper limit, reaching 1E-25 e-cm in four years and 1E-28 e-cm in ten years. 225Ra is an ideal case due to a strong nuclear octupole deformation, making its atomic EDM more sensitive to T-violating effects. 225Ra is radioactive with a half-life of 15 days. 171Yb is a stable isotope with atomic properties and transitions similar to those of 225Ra. It is particularly useful as a proxy for testing various measurement schemes and investigate systematic errors. Moreover, future high-precision measurements of 225Ra EDM need to use 171Yb as a co-magnetometer for the purpose of correcting effects of magnetic field noise. We propose to construct a new cold-atom setup for a 171Yb EDM measurement, to study various systematic errors, and to apply the knowledge and techniques gained towards a higher precision measurement of 225Ra EDM.

原子的固有电偶极矩（EDM）是P-、T-不对称的一个直接表现。测量EDM是通向标准模型之外新物理的一条路径。我们与美国阿贡国家实验室等合作测量225Ra原子的EDM，成功展示了用冷原子方法测量EDM的可行性。在此基础上要大幅度降低测量上限：四年目标是1E-25 e-cm；十年目标是1E-28 e-cm。选择225Ra是因为它的原子核有明显八极变形，使得它的EDM更容易被新物理所表现出来。225Ra是放射性同位素，半衰期15天。171Yb是稳定同位素，具有和225Ra类似的原子跃迁性质，特别适合作为225Ra EDM实验系统的前期验证。另外，下一阶段高精度测量225Ra EDM必须用171Yb来同时同地测量磁场，校正由磁场不稳定所引起的进动频率变化。我们提出搭建一套测量171Yb EDM的冷原子实验装置，探索各种系统误差，将获得的物理知识与技术用在高精度测量225Ra EDM实验中。

原子的固有电偶极矩（EDM）是P-、T-不对称的一个直接表现。测量EDM是通向标准模型之外新物理的一条路径。我们与美国阿贡国家实验室等合作测量225Ra原子的EDM，成功展示了用冷原子方法测量EDM的可行性。本项目的目标是，在此基础上要大幅度降低测量上限。选择225Ra是因为它的原子核有明显八极变形，使得它的EDM更容易被新物理所表现出来。225Ra是放射性同位素，半衰期15天。171Yb是稳定同位素，具有和225Ra类似的原子跃迁性质，特别适合作为225Ra EDM实验系统的前期验证。另外，下一阶段高精度测量225Ra EDM必须用171Yb来同时同地测量磁场，校正由磁场不稳定所引起的进动频率变化。我们提出搭建一套测量171Yb EDM的冷原子实验装置，探索各种系统误差，将获得的物理知识与技术用在高精度测量225Ra EDM实验中。. 在实验研究中，我们通过原子炉热束流的产生，横向速度冷却，纵向塞曼减速，两级磁光阱的冷却，光偶极阱的装载和转移至磁屏蔽区域，在外加高电场平行或反平行于偏执磁场的条件下测量核自旋进动频率来进行EDM的精密测量。已实现的分类指标：囚禁的171Yb数目达到4E4；静电场的场强达到130 kV/cm；原子基态在偏执磁场下的拉莫进动的退相干时间超过300 s，真空囚禁寿命达到50 s。以上这些分类指标均达到计划书的目标，在此基础上的物理极限应该在5天平均下即可让精度到达1E-26 e-cm。目前我们受限于强激光照射引起的磁场噪声，171Yb 原子EDM测量精度为3E-26 e-cm。这一磁场噪声问题可以在近期解决。本项目获得的冷原子阱内的测量精度比阿贡国家实验室171Yb原子EDM测量精度提高了100倍以上。. 在项目实施中，我们还同时测量了镱原子基态到三重态P态的魔幻波长，Pi、sigma跃迁的魔幻波长分别为1035.68 nm和1036.12 nm，不确定度为0.03 nm。该结果和理论计算结果符合，并以发表Physical Review A 102, 062805。该结果已经在后续镱原子固有电偶极矩测量的实验研究中发挥了重要作用，我们将基态核自旋的测量效率提高了30倍以上，将电偶极矩测量灵敏度提高约6倍。该新方法可以在镱原子在精密测量，量子比特态读取，以及亚多普勒冷却中发挥重要作用。