新物理に高感度な原子遷移の精密分光に成功―既存の物理を超える未知の現象を探すための新たなツール―

2026-03-23 京都大学

京都大学の研究グループは、新物理探索に高感度な中性イッテルビウム原子の内殻電子遷移に対する精密分光測定に成功した。ダークマターやローレンツ対称性の破れに敏感とされるこの遷移に対し、光格子中で原子を捕捉し高安定レーザーを用いることで測定精度を約2桁向上させた。さらに同位体シフト測定により電子と中性子間の新たな相互作用の可能性を解析し、標準模型を超える未知の物理現象の探索に向けた有力な実験手法を確立した。今後の基礎物理研究に重要な基盤となる成果である。

新物理に高感度な原子遷移の精密分光に成功―既存の物理を超える未知の現象を探すための新たなツール―
イッテルビウム原子の「内側」の電子にレーザー光を照射し、励起する様子。©️京都大学

<関連情報>

中性イッテルビウムの内殻軌道時計遷移の精密分光法の精度が桁違いに向上 Orders-of-magnitude improvement in precision spectroscopy of an inner-shell orbital clock transition in neutral ytterbium

Taiki Ishiyama,Koki Ono,Hokuto Kawase,Tetsushi Takano,Reiji Asano,Ayaki Sunaga,Yasuhiro Yamamoto,Minoru Tanaka & Yoshiro Takahashi
Nature Photonics  Published:20 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-026-01857-8

Abstract

An inner-shell orbital clock transition 1S0 ↔ 4f135d6s2 (J = 2) in neutral ytterbium atoms has attracted much attention as a new optical frequency standard as well as a highly sensitive probe for several new physics phenomena, such as ultralight dark matter, violation of local Lorentz invariance, and a new Yukawa potential between electrons and neutrons. Here we demonstrate almost two-orders-of-magnitude improvement in precision spectroscopy over previous reports on this transition, achieved by trapping atoms in a three-dimensional magic-wavelength optical lattice. In particular, we successfully observe the coherent Rabi oscillation, the relaxation dynamics of the excited state and the interorbital Feshbach resonance. To highlight the high precision of our spectroscopy, we carry out precise isotope shift measurements between five stable bosonic isotopes well below 10-Hz uncertainties, successfully setting bounds for a hypothetical boson mediating a force between electrons and neutrons. These results open up the way for various new physics search experiments and a wide range of applications to quantum science with this clock transition.

1701物理及び化学
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