Precision measurements in one- and two- electron atoms for determinations of fundamental constants and tests of symmetries

一电子和二电子原子的精密测量,用于确定基本常数和测试对称性

基本信息

  • 批准号:
    121521-2013
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 4.37万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2017-01-01 至 2018-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Measurement of the Lamb shift in atomic hydrogen to determine the charge radius of the proton:We will measure the 2S-to-2P intervals in atomic hydrogen to an accuracy of 2 kHz using the Ramsey technique of separated oscillatory fields (SOF), improving on the 1980 measurement of Lundeen and Pipkin. Our measurements, along with existing highly-precise QED theory, will each lead to a 0.6% determination of the proton charge radius, shedding light on the 4.3% (7 sigma) discrepancy between a proton radius obtained using muonic hydrogen and one from hydrogen spectroscopy and electron-proton scattering.Measurement of the fine-structure of atomic helium to determine the fine-structure constant:We have performed subnatural linewidth microwave measurements of the n=2 triplet P fine structure of helium using SOF (PRA 79, 060503). We have now devised a detection scheme that involves direct detection of the n=2 triplet P atoms by resonant transfer of these atoms to a previously emptied metastable n=2 triplet S sublevel, which allows for higher detection efficiency and lower background, and which removes the largest systematic effect in our measurement. We expect to improve our 350-Hz accuracy to better than 30 Hz, which will provide an important test of QED and lead to a 0.5 part-per-billion determination of the fine-structure constant. Additionally, we have identified a previously overlooked systematic effect due to quantum mechanical interference from distant neighboring resonances that is important for measurements of these intervals and for a large range of other precision measurements.Precise spectroscopy of trapped antihydrogen: a test of CPT symmetry and of antimatter physics:Our group at York continues an active participation in the ATRAP (a collaboration between Harvard, Mainz, Julich and York led by G. Gabrielse). ATRAP has now been successful in 2 of its 3 goals: production of cold antihydrogen (PRL 89, 213401) and trapping of these atoms in a Ioffe trap (PRL 108, 113002). The third goal of performing precise spectroscopy on these atoms remains.
测量原子氢中的兰姆位移以确定质子的电荷半径:我们将使用分离振荡场 (SOF) 的 Ramsey 技术以 2 kHz 的精度测量原子氢中的 2S 到 2P 间隔,改进了Lundeen 和 Pipkin 1980 年的测量。我们的测量以及现有的高精度 QED 理论将分别确定 0.6% 的质子电荷半径,揭示使用 μ 子氢获得的质子半径与氢光谱获得的质子半径之间 4.3% (7 sigma) 的差异测量原子氦的精细结构以确定精细结构常数:我们对 n=2 三重态 P 精细结构进行了次自然线宽微波测量使用 SOF 氦气 (PRA 79, 060503)。我们现在设计了一种检测方案,涉及通过将这些原子共振转移到先前清空的亚稳态n=2三重态S子能级来直接检测n=2三重态P原子,这允许更高的检测效率和更低的背景,并且消除了我们测量中最大的系统效应。我们期望将 350 Hz 的精度提高到 30 Hz 以上,这将为 QED 提供重要的测试,并导致精细结构常数的确定达到十亿分之 0.5。此外,我们还发现了一种先前被忽视的系统效应,该效应是由于来自遥远相邻共振的量子力学干扰而产生的,这对于这些间隔的测量和大范围的其他精密测量非常重要。捕获反氢的精确光谱:CPT 对称性和反物质物理学:我们约克的团队继续积极参与 ATRAP(由 G. Gabrielse 领导的哈佛、美因茨、尤利希和约克之间的合作项目)。 ATRAP 现已成功实现其 3 个目标中的 2 个:冷反氢的生产(PRL 89, 213401)以及将这些原子捕获在 Ioffe 陷阱中(PRL 108, 113002)。对这些原子进行精确光谱分析的第三个目标仍然存在。

项目成果

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    $ 4.37万
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