計量学：フィードバックループを備えたトリウム229光原子核時計

トリウム229（²²⁹Th）同位体のレーザーで励起可能な核遷移は、原子またはイオンの電子殻遷移に基づく現在の光時計の性能を上回る可能性のある光原子核時計の実現に向けた候補とされている。光原子核時計は、外部からの摂動に対してよりロバストであり、時計を用いた物理学の基本原理の検証において感度の増強をもたらすと期待されている。本研究で我々は、吸収分光法に基づく高速フィードバックで連続波レーザーを波長148 nmの核遷移に安定化することにより、²²⁹Thの原子核時計を実現した。²²⁹Thの原子核は、ミリメートルサイズの室温フッ化カルシウム結晶中に埋め込まれている。波長148 nmの光の分調波は、イッテルビウムイオン（Yb⁺）の単一イオン時計と連続的に比較される。この原子核時計は、ショット雑音によって制限される分数周波数不安定度3 × 10⁻¹²/√τ/sを示した。ここで、τは平均化時間であり、1日間の動作で不安定度は10⁻¹⁵に近づいた。将来の装置では、この不安定度が数桁改善すると予測される。我々は、この原子核時計を用いて、20秒から1日の時間スケールで、核遷移エネルギーの周期的な変動とゆっくりとしたドリフトを探索することによって、超軽量暗黒物質のモデルに制約を課した。²²⁹Th遷移の増強された感度により、これらの制約は、暗黒物質と光子との結合に関しては最高性能の原子時計による制約に匹敵し、強い力との結合に関しては従来の測定結果を上回っていた。

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