氦原子23S-23P跃迁精密光谱研究

摘要

少体原子的精密测量对检验基本物理定律、测定基本物理常数具有重要物理意义。氦原子作为最简单的多电子原子，利用仅依赖于基本物理常数的从头计算法可实现高精度的理论计算。在实验上通过精密光谱方法探测原子能级结构，能够对相关理论进行检验。如果实验与理论存在明显偏差，则预示着可能存在尚未被认知的系统效应，甚至有可能从中发现超越标准模型的新物理。氦原子23PJ能级因其寿命(≈98ns)相较氢原子2P能级寿命更长，精细结构分裂(～32GHz)更大，被认为是测定精细结构常数α的理想原子体系。目前，氦原子23PJ精细结构分裂理论已被发展至α7m阶QED修正，计算精度达到1.7kHz。本实验组将23P0-23P2分裂实验测定至130Hz(4ppb)，与理论预测相符，验证了α7m阶QED修正的计算工作。除此之外，氦原子光谱不仅可用于设定电子间奇异相互作用上限，还有望用于测定氦原子核电荷半径。通过比较光谱方法与电子散射方法、以及国际上正开展的μ-He+实验所测定的氦原子核大小，将可以在低能尺度下检验标准模型轻子电磁相互作用的普适性，并帮助解释“质子大小之迷”。
　　论文将围绕本实验组所搭建的基于横向冷却的氦原子束流装置，介绍氦原子23PJ精细结构分裂和23S-23P跃迁频率测量，以及相关的光场力频移研究。
　　论文安排如下:第一章为绪论，介绍基于少体原子精密光谱的历史与发展，简述氢、氦体系的精密光谱研究。第二章主要介绍实验装置与实验原理，包括真空与光学部分。第三章介绍23PJ能级精细结构分裂实验，主要包括实验数据分析与系统误差评定，其中包括意义重大的量子干涉效应。第四章主要介绍23S-23P跃迁频率测量，主要包含光学频率标定，实验数据与系统误差分析，最终结果比对及其物理意义。第五章我们讨论由驻波场引入的光场力频移，主要包括原子束流空间成像和基于蒙特卡洛方法的原子运动轨迹模拟。第六章介绍3He、4He同位素频移实验的前期工作，包括3He跃迁的塞曼频移系数计算、激光冷却等。第七章总结我博士期间的工作，并对相关研究作出展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 少体原子精密光谱

1．2 检验束缚态QED

1．3 基本物理常数测定

1．3．1．里德堡常数和质子半径

1．3．2．精细结构常数α

1．4 基于氦原子的精密光谱研究

第2章 实验装置

2．1 原子束流部分

2．1．1 亚稳态氦原子制备

2．1．2．原子束流准直与偏转

2．1．3．光学抽运

2．1．4．偏置磁场与磁屏蔽

2．1．5．梯度磁场与单量子态探测

2．2 光学系统

2．2．1．参考激光

2．2．2 探测激光

2．2．3 冷却激光与抽运激光

第3章 23PJ精细结构分裂

3．1．1．理论与实验发展回顾

3．1．2 氦原子精细结构分裂测定α常数

3．2 实验原理与实验方法

3．2．2．EOM边带扫描

3．2．3 拍频切换扫描

3．3 光谱采集与拟合

3．3．1．光谱扫描时序

3．3．2 跃迁线型

3．3．3．实验光谱结果

3．4 系统误差分析

3．4．1．塞曼效应

3．4．2．探测激光功率

3．4．3．多普勒效应

3．4．4．量子干涉效应

3．4．5．其它系统效应

3．4．6．总误差表

3．5 实验结果与比对

第4章 23S-23p跃迁频率

4．1 原子跃迁频率与核电荷半径

4．1．1．“质子半径之谜”

4．1．2．氦原子核电荷半径

4．2 光学频率梳

4．3 实验装置和实验方法

4．4 系统误差分析

4．4．1．多普勒效应

4．4．2．塞曼效应

4．4．3．反射不对称影响

4．4．4．Recoil效应

4．4．5．量子干涉效应

4．4．6．探测激光线宽

4．4．7．压力频移

4．4．8 总误差表

4．5 实验结果

4．5．1．对比与分析

4．5．2．同位素频移与核电荷半径

4．6 小结与展望

第5章 光场力频移研究

5．1 空间分辨成像系统

5．1．1．微通道板

5．1．2．荧光屏与CCD相机

5．1．3．空间成像

5．2 原子运动轨迹研究

5．2．1．光谱探测机制

5．2．2．拟合残差不对称研究

5．2．3．驻波场对原子运动轨迹的改变

5．3 蒙特卡洛模拟

5．3．1．开放量子系统和Master equations

5．3．2．Monte Carlo Wave-Function方法

5．3．3．原子运动的全量子化处理

5．3．4．MCWF模拟与结果

5．3．5 小结与讨论

第6章 3He的准备工作

6．1 3He超精细结构

6．2．2．塞曼减速器

6．3 3He闭循环

6．4 3He塞曼效应

第7章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果