Mercurio enfriado por láser para buscar física más allá del modelo estándar

Esta tesis explora el desarrollo y la aplicación de átomos de mercurio enfriados por láser para medidas de precisión relevantes para la física fundamental. Una motivación principal es la búsqueda de un momento dipolar eléctrico permanente en el mercurio, que podría arrojar luz sobre la asimetría bariónica del universo. Presentamos el diseño y construcción de un aparato experimental personalizado para producir y atrapar átomos de mercurio fríos, detallando los desafíos asociados con el trabajo con mercurio en un entorno de ultra alto vacío y considerando la óptica en el ultravioleta profundo. Se realiza una trampa magneto-óptica que opera en la línea de intercombinción 1S0-3P1 a 254 nm para los siete isótopos estables, logrando números de átomos de hasta 5x10^7 y densidades de espacio de fase de hasta 1x10^-6 adecuadas para la carga en una trampa óptica dipolar. Se caracterizan las eficiencias de enfriamiento de todos los isótopos bosónicos y fermiónicos en un amplio espacio de parámetros, y mostramos enfriamiento sub-Doppler en 199Hg y 201Hg. Se demuestra la carga exitosa de mercurio en una trampa óptica dipolar de alta potencia, formando la base para futuros experimentos de momento dipolar eléctrico de átomos de mercurio enfriados por láser. Las perspectivas de enfriar evaporativamente el mercurio hasta la degeneración cuántica podrían permitir una herramienta de metrología mejorada cuánticamente para las medidas planeadas. Aparte de esto, estamos explorando el uso de gases fermiónicos ultrafríos hechos de mercurio como un simulador cuántico para la física de impurezas. Como una plataforma versátil y ajustable prometedora para estudiar las interacciones de baño de impurezas, estamos evaluando la viabilidad de observar oscilaciones de Friedel en gases cuánticos ultrafríos. Además, realizamos espectroscopía de desplazamiento isotópico de precisión en varias transiciones atómicas permitidas por dipolo en mercurio. A través del análisis del gráfico de King, esto permite investigaciones de la estructura nuclear del mercurio – también relevante para límites de momento dipolar eléctrico – y sienta las bases para indagar sobre un potencial portador de la quinta fuerza que conecta electrones con neutrones. También proponemos mejoras en la máquina para mejoras en el enfriamiento láser, extensiones de la búsqueda espectroscópica y una configuración experimental propuesta para sondear el momento dipolar eléctrico atómico en una trampa óptica dipolar de átomos de mercurio fríos.