冷分子技術(shù)的不斷進步為基本物理常數(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謎團的重要實驗之一,目前已經(jīng)成為探索超越粒子物理標準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,相對于大型強子對撞機等大型科學裝置,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已獲得重要進展,但非零的eEDM值尚未獲得,同時我國也尚未在eEDM測量上取得進展,其主要原因是其探測技術(shù)復(fù)雜,對各項技術(shù)指標要求極為嚴苛。因此,發(fā)展eEDM精密測量實驗,不僅能夠作為驗證標準模型外新物理的重要實驗依據(jù),更是我國開展高精度、高分辨率、高靈敏度科學技術(shù)研究的重要實驗之一,具有重大的開拓性意義。進行eEDM精密測量需要理論與實驗的準備,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,同時囚禁在光電存儲環(huán)中的重極性分子用于eEDM精密測量時測量時間較長,進而可以降低測量的統(tǒng)計不確定度,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,本文運用有效哈密頓量方法理論計算了~(208)Pb~(19)F自由基的電子,振轉(zhuǎn)與超精細結(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。進行eEDM精密測量首先需要精確掌握其分子光譜,我們計算了無外場下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)斯塔克光譜的計算結(jié)果,eEDM測量時最合適的外加電場大小為8.2 kV/cm左右�；谏鲜鲇嬎�,本文描述了用于PbF分子eEDM測量的光學干涉儀測量方案。方案中,分子束首先進入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)束后信號由準連續(xù)共振增強多光子電離(pc-REMPI)技術(shù)探測。估算各種不確定度,本文認為PbF分子束的eEDM測量靈敏度可達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)致其不適合進行激光冷卻實驗。因此,PbF分子eEDM精密測量的統(tǒng)計不確定度會受到分子在干涉儀內(nèi)疊加態(tài)演化時間的限制。為了進一步優(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分子進行eEDM精密測量的新方案。本文首先用有效哈密頓量方法計算了HgF分子的電子,振轉(zhuǎn)與超精細能級結(jié)構(gòu)并用Rydberg-Klein-Rees(RKR)方法與莫爾斯勢方法理論驗證了HgF分子高度對角化的弗蘭克-康登(FC)因子。根據(jù)計算的(3~2Σ_(1/2)(=0,=1)轉(zhuǎn)動態(tài)超精細結(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)超精細能級的塞曼效應(yīng)與超精細g因子。最后估算了新方案的統(tǒng)計不確定度,即阱中測量的統(tǒng)計不確定度為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實驗中所需要的對PbF分子束密度進行表征的需求,本文描述了用于絕對密度測量的CELIF(腔增強激光誘導(dǎo)熒光)技術(shù)。首次在實驗中利用CELIF技術(shù)探測了NO_2(二氧化氮)氣體樣品的絕對密度,實驗中使用的是脈沖染料激光,NO_2樣品的載氣為氬氣。實驗中同時采集了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秒的探測時間內(nèi),信噪比為3時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測量實驗中計算吸收截面,設(shè)計探測系統(tǒng),預(yù)估統(tǒng)計不確定度等極其重要。
【學位單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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一步研究了并提出了用紅失高效的實驗方案[22, 23]。

圖1.2兩面高度協(xié)同運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]實驗上進行了驗證。靜電存儲環(huán)實驗中，期性出現(xiàn)在選定的位置并可隨時從選定的點切向噴出實驗裝置非常適合低能量碰撞，冷化學反應(yīng)和精密于極性冷分子在存儲環(huán)內(nèi)的理論和實驗結(jié)果已經(jīng)引起

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本文編號：2811943