Precision Spectroscopy of Fast, Hot Exotic Isotopes Using Machine Learning Assisted Event-by-Event Doppler Correction

要約

タイトル：機械学習支援のイベント・バイ・イベント・ドップラー補正を使用した高速、高温異種同位体の精密分光

要約：

– 高速異種同位体を用いた感度の高い、高精度のレーザー分光学研究を行うための実験的手法を提案する。
– 電界内を走行する原子の段階的な共鳴イオン化を誘発し、その後、イオンと対応する電子を検出することにより、得られた粒子の時間軸と位置を感知できる測定が行える。
– 混合密度ネットワーク（MDN）を使用することで、個々の原子の初期エネルギーを予測し、イベントバイイベントで観測された遷移周波数にドップラー補正を適用することができる。
– 提案された実験手法の数値シミュレーションを行い、$10^8 K$ よりも高温のイオンビームで、エネルギースプレッドが$10$ keV 以上で非均一な速度分布を持つ場合でも、kHzレベルの不確定性を達成できることを示す。
– 高エネルギーのビームに直接、飛行中に分光を行うことができる能力は、冷却技術を必要としない熱くて高度に汚染された環境で、ミリ秒未満の寿命を持つ低い量で生成される異種同位体の研究にユニークな機会を提供する。
– このような種類の異種同位体は、核構造、天体物理学、および新しい物理学の研究に注目されている。

要約(オリジナル)

We propose an experimental scheme for performing sensitive, high-precision laser spectroscopy studies on fast exotic isotopes. By inducing a step-wise resonant ionization of the atoms travelling inside an electric field and subsequently detecting the ion and the corresponding electron, time- and position-sensitive measurements of the resulting particles can be performed. Using a Mixture Density Network (MDN), we can leverage this information to predict the initial energy of individual atoms and thus apply a Doppler correction of the observed transition frequencies on an event-by-event basis. We conduct numerical simulations of the proposed experimental scheme and show that kHz-level uncertainties can be achieved for ion beams produced at extreme temperatures ($> 10^8$ K), with energy spreads as large as $10$ keV and non-uniform velocity distributions. The ability to perform in-flight spectroscopy, directly on highly energetic beams, offers unique opportunities to studying short-lived isotopes with lifetimes in the millisecond range and below, produced in low quantities, in hot and highly contaminated environments, without the need for cooling techniques. Such species are of marked interest for nuclear structure, astrophysics, and new physics searches.

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