电子共振复合法寻找229mTh光学波段核能级跃迁的前期实验探索

Precision measurements have been one of the most important driving force in physics progress. Based on the γ ray spectroscopy of 229-Th nuclei, it was predicted that its isomeric state has a very low-energy transition which lies in the optical range. This transition, if it can be determined accurately, can be employed to establish a nuclear optical clock, which will result in an improvement of more than an order of the present frequency standards. Such a setup would be the most sensitive laboratory probe of physical constant variation to date and fundamental symmetry in physics. However, the transition energy and the lifetime of the isomeric state of 229-Th have not yet been determined in an accuracy which is agreed in the community. The present proposal provides a novel method to determine the transition energy of 229-Th with high precision and high efficiency. This method, based on the heavy ion storage ring and its electron cooler, will search the nuclear transition lines in the optical range using resonant electron-recombination which is the analogue to dielectronic recombination. The precision to determine the transition can be expected to be within several meV. The proposal is aiming to verify the proposed method and establish a feasible way to perform experiment.

精密测量是物理学发展的重要驱动力，科学家根据229Th的γ谱结果预言它的同质异能态具有光学波段的核能级跃迁，此跃迁可能引发核光钟的出现，这将会使得频率精度在现有基础上再提高至少一个数量级，从而极大推进与物理学基本对称性研究、基本物理常数精确测量等相关前沿领域新的研究工作。但是，229m-Th同质异能态的能级跃迁精确值和激发态能级的寿命迄今还没有为学界普遍认可的结果。本申请基于兰州重离子冷却储存环CSR，我们提出通过核反应产生229-Th核，利用电子共振复合谱学技术确定229Th核能级的一种新方法，这种方法具有极高的灵敏度和很高的精度。通过本项目，我们将对寻找229-Th核中存在光学波段核跃迁能级的技术和方法进行验证，为在国际上率先将跃迁能级值确定到几个毫电子伏特（meV）的精度奠定基础。

229Th的伽马射线研究预言其同质异能态具有光学波段的核能级跃迁，此跃迁可用于发展核光钟，从而使得频率测量精度在现有基础上再提高至少一个量级达到10^-19，从而大大推进精密测量物理学及相关应用领域的发展。然而，229mTh 同质异能态的能级跃迁精确值和激发态能级的寿命迄今还没有为学界普遍认可的结果。基于兰州重离子冷却储存环CSR，我们提出利用电子共振复合谱学技术确定229Th 核能级的一种新方法，即电子俘获诱导核激发(NEEC)，这种方法具有极高的灵敏度，有望提供229Th 核中存在光学波段存在核跃迁能级的确凿证据，并在国际上率先将跃迁能级值确定到几个毫电子伏特（meV）的精度。基于本项目支持，我们为探索229Th低激发态核能级做了前期工作，为后续测量奠定了基础。1. 理论计算和模拟了利用ECR + SFC + CSRm + RIBLL2 + CSRe加速器组合模式，基于核反应产生229Th离子电荷态和产额；2. 基于FAC程序，计算了不同电荷态的Th离子的双电子复合谱，并和电子俘获诱导核激发过程（NEEC）谱线位置进行了比较；3. 在CSRm上完成了36Ar15+、40Ar15+、40Ar14+、58Ni19+的双电子复合实验，获得了它们精确的双电子复合谱和速率系数。4. 联合俄罗斯新西伯利亚核物理研究所（BINP）设计了CSRe电子冷却器上专门用于双电子复合实验的电子束能量调节系统模块，并进行了离线测试，新的电子束能量调节系统计划于2017年2月完成，并于2017年7月安装到CSRe上。总之，为了开展在CSRe上精密测量229Th的光学波段核能级的跃迁，我们按照计划完成了利用电子复合共振技术开展229Th低激发态核能级测试的前期工作。