测量氟化铅冷分子精密光谱及探索其在电子电偶极距测量上的应用

Employing the atomic, molecular and optical physics as the research background, the precision measurement of the electron’s Electric Dipole Moment (eEDM) using diatomic polarized molecules provides the vital experimental basis in exploring the new physics and mechanism beyond the Standard Model, as well as testing the Charge-Parity or Time-reversal violation and the applicability of fundamental scientific principles. Up to now the eEDM measurement has reached the precision level of 10^{-29}e·cm, while the key issue emerges from how to alleviate the influence of the statistical uncertainty of the experiment and reach the precision level of 10^{-30}e·cm. We adopt the Lead Monofluoride (PbF) molecule as the candidate for the eEDM measurement, utilize the buffer gas cooling method to produce PbF cold molecules of high flux density and low velocity, and study the high resolution Resonance-Enhanced Multi-Photon Ionization detection scheme of the PbF molecules, from which an experimental design based on Ramsey Interferometry leading to eEDM measurement is concluded. Our innovative method offers the experimental enhancement of the statistical uncertainty in a limited data-collection time, and will substantially contribute to the precision measurement of eEDM in a level of 10^{-30}e·cm. The non-zero measurement of eEDM can eventually exhibit significant impact on the scientific communities and the societies, including the test of the symmetry violation mechanism, the origin of the Universe and the design of large facilities in particle physics.

以原子分子光学物理为基础，使用双原子极性分子为载体的电子电偶极矩精密测量，为探索标准模型外新物理与新机制，检验电荷共轭宇称或时间反演对称性破缺及相应的基本科学定律的适用范围提供了重要的实验依据。目前电子电偶极矩测量已到达10^{-29}e·cm量级，而降低实验统计误差使测量进一步达到10^{-30}e·cm精度是需要解决的一个关键问题。我们使用氟化铅(PbF)为载体，采用缓冲器冷却方法制备稳定低速高束流密度PbF冷分子束源，并研究其高分辨率的共振增强多光子电离探测方式，进而设计基于拉姆齐干涉法测量电子电偶极矩的实验方案，为在有限的实验时间内提高实验统计误差精度提供了一个创新性方法，并为电子电偶极矩测量最终达到10^{-30}e·cm精度奠定了基础。非零电子电偶极矩值的最终获得，将精确检验对称性破缺的机制，理解宇宙物质起源，引导粒子物理大装置实验的设计与研制，具重要的科学与社会意义。

近年来，基于极性双原子冷分子精密测量电子电偶极矩(eEDM)的实验研究，对理解超越标准模型的新物理与新机制的相关科学问题，提供了重要的参考依据。本项目基于重原子极性分子单氟化铅(PbF)与单氟化汞(HgF)，利用其基态eEDM测量灵敏态、低磁g因子、高内部有效电场等特性，搭建基于缓冲气体冷却、光学内态干涉制备与演化测量、分子光谱灵敏探测等关键技术的实验装置，开展了一系列相关精密光谱实验与理论研究工作。主要成果为：.1. 开展PbF冷分子的制备、冷却与精密光谱测量，实现PbF分子的缓冲气体冷却制备、超声分子束制备，并测量A←X1的精细光谱以及B←X1跃迁的精细和超精细光谱，获得其X1和B态的精细和超精细能级结构，A态的精细能级结构，以及相关光谱常数，为采用分子精密光谱方法精密测量eEDM干涉条纹信号奠定重要基础。.2. 建立极性双原子分子的弗兰克-康登因子、精细结构与超精细能级结构、斯达克与塞曼能级结构、激光冷却与磁光囚禁理论计算方案，并结合分子激光冷却技术设计HgF测量eEDM方案，统计灵敏度达到10E-32 e·cm量级，有望突破现有世界最好测量结果两个数量级，被佐治亚理工的Hutzler教授、麻省理工的Garcia Ruiz教授等人认为是利用激光冷却测量eEDM的高灵敏度系统之一 (Quantum Sci. Technol. 5, 044011 (2020)；Phys. Rev. A 104, 062801 (2021))。.3. 搭建基于碲分子(Te2)的无多普勒饱和吸收光谱装置，以Te2分子光谱跃迁作为eEDM精密光谱测量的稳定频率参考源，达到<10 MHz/天的稳定度，并进一步采用结合塞曼稳定HeNe激光器与F-P腔的传递锁频系统，最终实现了<1MHz/48hours的稳定度，从而为稳定测量eEDM灵敏跃迁光谱Qfe(1/2)提供了可能。.4. 发展面向精密测量器件的无振动低温光学制冷技术，在室温下将Yb3+:LuLiF4晶体冷却至141.8 K，并进一步冷却至低温学温度121 K；选择更有代表性的Yb3+:YAG晶体进行研究，首次将其温度激光冷却至218.9 K，为基于Yb3+:YAG晶体的激光冷却及其无热激光器研究奠定应用基础。

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