基于 Yb$^+$ 与 Cs 原子钟比对改进 $m_p/m_e$ 时间变化的限制

对不同原子能级间电子结构和超精细结构跃迁频率随时间的精确测量，被用于研究精细结构常数 $\alpha$ 和质子 - 电子质量比 $\mu$ 的时间变化。我们以两台铯喷泉钟为基准，测量了 $^{171}$Yb$^+$ 中 $^2S_{1/2}\rightarrow {^2F_{7/2}}$ 电八极 (E3) 跃迁的频率，结果为 $f(E3) = 642\,121\,496\,772\,645.36(25)$~Hz，其相对不确定度改进至 $3.9\times 10^{-16}$。该跃迁频率对 $\alpha$ 的变化表现出强烈的敏感性。结合此前及近期对 $^{171}$Yb$^+$ 中 $^2S_{1/2}\rightarrow {^2D_{3/2}}$ 电四极跃迁的多次测量以及其他元素的数据，最小二乘分析得出 $(1/\alpha)(d\alpha/dt)=-0.20(20)\times 10^{-16}/\mathrm{yr}$ 和 $(1/\mu)(d\mu/dt)=-0.5(1.6)\times 10^{-16}/\mathrm{yr}$，证实了此前关于 $d\alpha/dt$ 的限制，并提供了来自实验室实验的对 $d \mu/dt$ 最严格的限制。