Cavity-enhanced polarimetry: applications in atomic parity violation and molecular chirality

Abstract

The ability to perform absolute measurements of circular birefringence with high sensitivityis essential to many disciplines of physics, ranging from searches of new physics beyond theStrandard Model, to the detection of chiral molecules in biological samples. In this thesis wedescribe the principles of a novel cavity-enhanced polarimetric technique used for the absolutemeasurement of chirality, by implementing robust background subtraction mechanisms usingtwo novel signal reversals.Atomic Parity Non-Conservation (PNC) experiments are complimentary to high-energy particlephysics experiments and have the potential to detect physics beyond the Standard Model.The Standard Model, and extensions of it, predict a weak parity non-conserving transition amplitudeE1PNC between states of the same parity in atomic systems. Measurement of the E1PNCtransition amplitude is possible through the interference between a dominant parity-allowedtransition. In the vicinity of a parity-allowed magnetic-dipole M1 transition, the interferenceM1-E1PNC leads to natural optical activity. This dissertation explores the possibility of performingPNC optical rotation studies in three new atomic systems, namely xenon (Xe), mercury(Hg) and iodine (I). The feasibility of obtaining observable signals in various transitions of theproposed atomic systems is discussed in detail, and theoretical simulations are presented, suggestingthat PNC measurements with high sensitivity are possible. Furthermore, the abilityof performing PNC measurements along a chain of isotopes in all three systems, and measurementsof nuclear spin-dependent PNC eects for both odd-neutron and odd-proton nuclei isdiscussed. The goal of these pursuits is to provide ratios of the observables along the chain ofisotopes, from which the details of atomic structure should cancel, and to add measurements ofthe anapole moments for these three new nuclei, in addition to the only existing measurementsin Cs and Tl.Towards the construction of a PNC optical rotation experiment, various proof-of-principleexperiments using pulsed laser sources were performed. In these proof-of-principle experiments,the absolute measurement of natural optical activity in the gas phase is proved to be possible,using the two novel signal reversals. In particular, measurements of natural optical activityfrom various chiral molecules in an evacuated and a non-evacuated achiral environment arepresented. The open-air gas-phase measurements are realized for the rst time. We continueby demonstrating the ability of measuring molecular chirality in the liquid phase using smallvolume samples, an application of biological interest.Finally, preliminary studies of a pair of near-degenerate opposite-parity states in atomicXenon are presented. We examine the possibility of performing experiments in search of parity(P) and time-reversal invariance (T) violating phenomena, and we present Stark-shift measurementsof one of the states of interest.

Η ικανότητα να πραγματοποιούμε μετρήσεις κυκλικής διπλοθλαστικότητας με μεγάλη ακρίβεια,αποτελεί σημαντικό στόχο διαφορετικών ερευνητικών πεδίων της φυσικής, από την ανίχνευση νεώνφαινομένων φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, έως την ανίχνευση χειρόμορφων μορίων σεβιολογικά δείγματα. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζουμε τις αρχές λειτουργίας, όπως και τηνκατασκευή, ενός πρωτοπόρου πολωσιμέτρου υψηλής ευαισθησίας, που κάνει χρήση οπτικήςκοιλότητας συντονισμού για την απόλυτη μέτρηση χειρομορφίας, εφαρμόζοντας τεχνικές αφαίρεσηςυποβάθρου μέσω δύο καινοτόμων και άμεσων διαδικασιών αντιστροφής σημάτων.Πειράματα που εξετάζουν το φαινόμενο της Παραβίασης της Ομοτιμίας όπως αυτό παρατηρείταιστην ατομική φυσική, αποτελούν συνέχεια πειραμάτων υψηλών ενεργειών, και έχουν την δυνατότητανα ανιχνεύσουν νέα φαινόμενα φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Το ΚαθιερωμένοΠρότυπο προβλέπει την παρουσία ασθενούς ηλεκτροδιπολικής μετάβασης με πλάτος Ε1PNC μεταξύκαταστάσεων όμοιας ομοτιμίας σε ατομικά συστήματα. Η συμβολή αυτής, με μια επιτρεπτήμαγνητοδιπολική μετάβαση με πλάτος Μ1, οδηγεί στην εμφάνιση κυκλικής διπλοθλαστικότητας στοατομικό μέσο. Μέτρηση της συμβολής αυτής, και επομένως μέτρηση του Ε1PNC δίνει πρόσβαση σεθεμελιώδους παραμέτρους του Καθιερωμένου Προτύπου καθώς και σε παραμέτρους μοντέλων πέρααπό το Καθιερωμένο Πρότυπο. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζουμε την δυνατότητα μέτρησης τηςκυκλικής διπλοθλαστικότητας λόγω Παραβίασης της Ομοτιμίας σε τρία καινούρια ατομικάσυστήματα, αυτά του Ξένου, του Υδραργύρου και του Ιωδίου. Αναλύεται εις βάθος η δυνατότητααπόκτησης παρατηρήσιμων σημάτων σε συγκεκριμένες μεταβάσεις για τα προτεινόμενα ατομικάσυστήματα. Θεωρητικές προσομοιώσεις υποδεικνύουν πως μετρήσεις με μεγάλη ευαισθησία, είναιεφικτές. Επιπροσθέτως, εξετάζεται η δυνατότητα διερεύνησης της εξάρτησης των φαινόμενωνπαραβίασης της ομοτιμίας από το πυρηνικό σπιν και τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα τουατόμου, προσφέροντας την δυνατότητα μέτρησης της πυρηνικής μαγνητικής τοροειδούς ροπής στατρία καινούρια προτεινόμενα ατομικά συστήματα, οι οποίες εκτιμάται ότι θα συμπληρώσουν τις ήδηυπάρχουσες μετρήσεις στο άτομο του Θαλίου και του Κεσίου.Πειραματικές διατάξεις που κάνουν χρήση παλμικών πηγών φωτός αναπτύχθηκαν για την απόλυτημέτρηση της οπτικής ενεργότητας διαφόρων χειρόμορφων μορίων, εφικτό χάρις στην χρήση τεχνικώναντιστροφής σήματος. Συγκεκριμένα, μετρήσεις οπτικής ενεργότητας υπό συνθήκες κενούπραγματοποιήθηκαν, όπως και μετρήσεις σε ανοιχτό περιβάλλον, κάτι που αποτελεί καινοτόμοερευνητική εργασία. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της οπτικής ενεργότητας χειρόμορφωνμορίων σε υγρή κατάσταση.Τέλος, εξετάσαμε ένα σύστημα, σχεδόν εκφυλισμένων, καταστάσεων, όμοιας ομοτιμίας, στο Ξένο,με τον στόχο να χρησιμοποηθούν μελλοντικά για την διερεύνηση φαινομένων Παραβίασης τηςΟμοτιτμίας και Παραβίασης της Αντιστροφής του Χρόνου. Συγκεκριμένα, μετρήσεις του φαινομένουΣταρκ παρουσιάζονται και αναλύονται για μία εκ των εκφυλισμένων καταστάσεων υπό διερεύνηση.