原子氢 2S-$n$P 跃迁的精密光谱学

原子氢的精密光谱学是检验束缚态量子电动力学（QED）的重要途径，后者是标准模型中的一个基础组成部分。最简单的测试形式包括将测量的跃迁频率与其 QED 预测值进行比较，而 QED 计算可对氢原子实现极高的精度。然而，这些计算需要以物理常数（如 Rydberg 常数 $R_\infty$ 和质子电荷半径 $r_\mathrm{p}$）的形式提供输入数据，而这两个常数目前均由氢光谱学大幅确定。因此，至少需要测量三种不同的跃迁频率才能对 QED 进行测试。等价地，由不同跃迁测得的 $R_\infty$ 和 $r_\mathrm{p}$ 值比较，构成了对 QED 的检验。为此，本工作对光学 2S-$n$P 跃迁进行了激光光谱测量。由于这些跃迁为单光子跃迁，其受到的系统误差与基于两光子跃迁的大多数其他氢光谱测量不同。为贡献对 QED 的检验，其跃迁频率必须以约 $10^{12}$ 的相对不确定性测定，即约 1 kHz 的绝对不确定性。这相当于这些 2S-$n$P 跃迁自然宽度的约 1/10000，成功测量需要极大的实验信噪比以及对观测共振线型的详细理论理解。通过激发原子束中的氢原子至基态 2S 能级，随后用反向行进的激光束进一步激发至 $n$P 能级，探测其快速自发衰变的荧光作为实验信号。两种反向行进的激光束导致两个大小相等但符号相反的多普勒位移，互相抵消。采用速度分辨检测法确定残余多普勒位移，两次测量中均在测不确定性范围内排除了此类位移。在第一次实验中，探测了 2S-4P 跃迁。量子干涉效应导致相邻原子共振产生细微的线型失真，由于分辨率远大于宽度，这些失真显著。观测到的失真导致的线移可通过基于扰动计算的线型模型予以消除。据此，2S-4P 跃迁的相对不确定性为 $4 \times 10^{12}$。结合精确测量的 1S-2S 跃迁频率，该结果当时实现了对 $R_\infty$ 和 $r_\mathrm{p}$ 最精确的确定。此外，结果与来自μ氢光谱学提取的更精确 $r_\mathrm{p}$ 值良好一致，而该值此前与电子氢数据存在显著不一致，引发对 QED 有效性的疑虑。该结果随后被其他实验确认。2S-4P 测量详见本论文附录。尽管该测量具有极高的信噪比，但仍受计数统计限制。为提高精度，需选用更窄的宽度和改进的实验信号的跃迁。因此，启动了 2S-6P 跃迁的研究，该跃迁具有约三分之一的自然宽度。对原子束装置进行了升级，使实验测得的宽度相应减小，且原子束低速尾部的原子通量接近提高了一个数量级。结合探测器的改进设计，信噪比最高可提高约 16 倍，为提高精度奠定了基础。多普勒位移抑制装置也升级以支持此精度，包括为此目的开发的纤芯准直器，提供在 410 nm 新跃迁波长处的高品质光谱束。这使得对 2S-6P 跃迁频率的统计不确定性达到 430 Hz，较 2S-4P 测量降低了约五倍，相当于多普勒位移抑制了 6 个数量级。在此精度水平上，由反向行进的光束在原子上形成的光栅引起的光力位移变得显著。该光力位移首次被观察到且被认为可由为此目的专门推导的模型准确描述。除非常精确已知的惯性位移外，所有其他系统误差的大小均估计在 500 Hz 以下。正在进行盲法数据分析，故尚无法给出跃迁频率。然而，初步分析表明，2S-6P 测量相较 2S-4P 测量可实现对 $R_\infty$ 和 $r_\mathrm{p}$ 确定性的约五倍提升，相较当前最精确的电子氢测量仅提升约两倍。这将使确定得到的 $r_\mathrm{p}$ 不确定性在因数 5 范围内。2S-6P 测量详见本论文正文。