冷分子技術(shù)的不斷進(jìn)步為基本物理常數(shù)的精密測量,高分辨率光譜以及冷碰撞等廣闊領(lǐng)域的飛速發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)。冷分子的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中,電子電偶極矩(eEDM)的精密測量作為揭示宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不平衡性,電荷共軛-宇稱反演對稱性破缺等科學(xué)謎團(tuán)的重要實(shí)驗(yàn)之一,目前已經(jīng)成為探索超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的重要平臺。尤其是在探尋新的作用力,新的作用粒子方面,相對于大型強(qiáng)子對撞機(jī)等大型科學(xué)裝置,eEDM精密測量已顯示出其成本與可操作性的巨大優(yōu)勢。雖然國際上使用冷分子精密測量eEDM已獲得重要進(jìn)展,但非零的eEDM值尚未獲得,同時(shí)我國也尚未在eEDM測量上取得進(jìn)展,其主要原因是其探測技術(shù)復(fù)雜,對各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求極為嚴(yán)苛。因此,發(fā)展eEDM精密測量實(shí)驗(yàn),不僅能夠作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型外新物理的重要實(shí)驗(yàn)依據(jù),更是我國開展高精度、高分辨率、高靈敏度科學(xué)技術(shù)研究的重要實(shí)驗(yàn)之一,具有重大的開拓性意義。進(jìn)行eEDM精密測量需要理論與實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備,本文主要討論制備冷分子的新方法與eEDM精密測量的新方案,目的在于搭建一套新的高靈敏度的eEDM冷分子測量系統(tǒng)。首先,本文提出光電存儲環(huán)新方案用于減速與囚禁極性分子,尤其是非對稱陀螺分子或用于eEDM精密測量的重極性分子。光電存儲環(huán)由水平面沿固定圓心轉(zhuǎn)動的紅失諧激光束與靜電四極存儲環(huán)組成,并在激光焦點(diǎn)位置形成三維復(fù)合勢阱。本文研究了分子在復(fù)合阱中的勢能及運(yùn)動情況,并用蒙特卡洛數(shù)值模擬的方法研究了分子在光電存儲環(huán)中的減速與囚禁過程,并通過控制光束的轉(zhuǎn)動來操控其三維勢阱的運(yùn)動。本文的研究表明光電存儲環(huán)減速重極性分子所需的減速距離僅為5cm左右,同時(shí)囚禁在光電存儲環(huán)中的重極性分子用于eEDM精密測量時(shí)測量時(shí)間較長,進(jìn)而可以降低測量的統(tǒng)計(jì)不確定度,因此光電存儲環(huán)是制備與操控冷分子的很好的平臺。其次,本文運(yùn)用有效哈密頓量方法理論計(jì)算了~(208)Pb~(19)F自由基的電子,振轉(zhuǎn)與超精細(xì)結(jié)構(gòu)。相對于其他測量分子,我們選擇的~(208)Pb~(19)F分子具有較大的有效電場,較低的基態(tài)磁g因子,測量態(tài)為基態(tài)等綜合優(yōu)勢。進(jìn)行eEDM精密測量首先需要精確掌握其分子光譜,我們計(jì)算了無外場下A(ν=0)←X_1(ν=0)各分支的躍遷光譜和外加電場下A(ν=0)←X_1(ν=0)的斯塔克光譜。根據(jù)斯塔克光譜的計(jì)算結(jié)果,eEDM測量時(shí)最合適的外加電場大小為8.2 kV/cm左右�；谏鲜鲇�(jì)算,本文描述了用于PbF分子eEDM測量的光學(xué)干涉儀測量方案。方案中,分子束首先進(jìn)入8.2 kV/cm的電場區(qū)域,一束線偏光隨后在電場區(qū)域完成疊加態(tài)的制備,接著分子進(jìn)入疊加態(tài)的演化區(qū)域。疊加態(tài)演化階段結(jié)束后信號由準(zhǔn)連續(xù)共振增強(qiáng)多光子電離(pc-REMPI)技術(shù)探測。估算各種不確定度,本文認(rèn)為PbF分子束的eEDM測量靈敏度可達(dá)10~(-30) e·cm/day~(1/2)量級。目前最新的測量結(jié)果來自于ACME小組的ThO測量系統(tǒng),d_e=(4.3±3.1_(stat)±2.6_(syst))×10~(-30) e·cm(Nature,562,355(2018))。與之相比~(208)Pb~(19)F分子是非常有競爭力的候選分子。PbF分子復(fù)雜的能級結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其不適合進(jìn)行激光冷卻實(shí)驗(yàn)。因此,PbF分子eEDM精密測量的統(tǒng)計(jì)不確定度會受到分子在干涉儀內(nèi)疊加態(tài)演化時(shí)間的限制。為了進(jìn)一步優(yōu)化測量靈敏度以及突破PbF分子測量eEDM遇到的瓶頸,本文提出了利用激光冷卻的~(202)Hg~(19)F分子進(jìn)行eEDM精密測量的新方案。本文首先用有效哈密頓量方法計(jì)算了HgF分子的電子,振轉(zhuǎn)與超精細(xì)能級結(jié)構(gòu)并用Rydberg-Klein-Rees(RKR)方法與莫爾斯勢方法理論驗(yàn)證了HgF分子高度對角化的弗蘭克-康登(FC)因子。根據(jù)計(jì)算的(3~2Σ_(1/2)(=0,=1)轉(zhuǎn)動態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu),本文提出了可行的激光冷卻邊帶調(diào)制方案。微波混合技術(shù)的使用可以讓分子在準(zhǔn)封閉躍遷循環(huán)中散射盡可能多的光子。隨后,本文研究了(3~2Σ_(1/2)(=0,=1)轉(zhuǎn)動態(tài)超精細(xì)能級的塞曼效應(yīng)與超精細(xì)g因子。最后估算了新方案的統(tǒng)計(jì)不確定度,即阱中測量的統(tǒng)計(jì)不確定度為6×10~(-32) e·cm,因此~(202)Hg~(19)F分子是非常有潛力的eEDM精密測量候選分子。最后,針對PbF測量eEDM實(shí)驗(yàn)中所需要的對PbF分子束密度進(jìn)行表征的需求,本文描述了用于絕對密度測量的CELIF(腔增強(qiáng)激光誘導(dǎo)熒光)技術(shù)。首次在實(shí)驗(yàn)中利用CELIF技術(shù)探測了NO_2(二氧化氮)氣體樣品的絕對密度,實(shí)驗(yàn)中使用的是脈沖染料激光,NO_2樣品的載氣為氬氣。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)采集了CRD(腔衰蕩)信號與LIF信號,CRD信號用于歸一化LIF信號并確定最終測量的CELIF信號與NO_2分子密度的關(guān)系。60秒的探測時(shí)間內(nèi),信噪比為3時(shí)CELIF技術(shù)下NO_2的測量極限為(3.6±0.1)×10~8 cm~(-3)。CELIF技術(shù)未來將用于PbF緩沖氣體分子束分子密度的測量,測量得到的PbF分子束密度對于eEDM測量實(shí)驗(yàn)中計(jì)算吸收截面,設(shè)計(jì)探測系統(tǒng),預(yù)估統(tǒng)計(jì)不確定度等極其重要。
【學(xué)位單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O561
【部分圖文】：

第一章 緒論間固定的聚焦光束精確操控分子速度。作為光束可以提供更長的光場與分子相互作用速度。其中利用轉(zhuǎn)動激光束減速超聲分子束小組在理論上進(jìn)一步研究了并提出了用紅失高效的實(shí)驗(yàn)方案[22, 23]。

圖1.2兩面高度協(xié)同運(yùn)動的反射鏡控制激光束減速分子

5動的反射鏡控制轉(zhuǎn)動激光束減速分子。中，聚焦紅失諧激光束只能產(chǎn)生二維的光學(xué)勢阱，因到的束縛很小。這意味著在減速過程中分子在光傳播紅失諧激光的尺寸有限，束腰半徑在 μm 量級，相對這樣分子最終會膨脹到光勢阱范圍之外并自由飛行儲環(huán)囚禁冷分子的想法也由來已久，歷史上首次由 Kets et al.[38]實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了驗(yàn)證。靜電存儲環(huán)實(shí)驗(yàn)中，期性出現(xiàn)在選定的位置并可隨時(shí)從選定的點(diǎn)切向噴出實(shí)驗(yàn)裝置非常適合低能量碰撞，冷化學(xué)反應(yīng)和精密于極性冷分子在存儲環(huán)內(nèi)的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)引起

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本文編號：2811943