J. Phys. France 35, 899-927 (1974)
DOI: 10.1051/jphys:019740035012089900

I. Parity violation induced by weak neutral currents in atomic physics

M. A. Bouchiat¹ et C. Bouchiat<sup>2

1</sup>  Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne
²  Laboratoire de Physique Théorique , Ecole Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France

Abstract
In this paper (the first of a series), we present a general analysis of the parity violating phenomena induced by neutral currents in Atomic Physics. We first give expressions for the short range parity violating electron-nucleus and electron-electron potentials predicted by the theoretical schemes of weak interactions featuring neutral currents. We turn next to a detailed computation of the matrix element, between one-particle s and p states, of the electron-nucleus parity violating potential. Using a non-trivial extension of a method used by Foldy to put on a more rigorous basis a formula of Fermi and Segre giving the wave function of an s valence electron at the nucleus, we arrive at a remarkably simple expression, in terms of the binding energies, with a small correcting term involving the interpolated quantum defect and the potential of the electronic cloud at the origin. Arguments are given which lead us to believe that the accuracy of our formula is comparable to that of the Fermi-Segre formula, i. e. a few per cent when Z >> 1. Besides its simplicity, a remarkable feature of our result is a Z3 dependence, which obviously favours heavy atoms. We give a brief analysis of the manifestation of parity mixing in atomic radiative transitions, with a particular emphasis on the implications of time reversal invariance, which is preserved by the interactions discussed in this paper. In order to improve the existing limits, we suggest looking for parity violating effects in twice forbidden magnetic dipole transitions induced by a tunable laser beam in heavy atoms. In a typical case, like the 6 S1/2 → 7 S1/2 transition in atomic Cesium, a circular dichroism of the order of 10-4 is predicted. Finally we discuss the apparently more remote possibilities offered by the muonic atoms.

Résumé
Nous présentons dans ce papier (le premier d'une série), une analyse générale des phénomènes de violation de la parité, induits par les courants neutres, en physique atomique. Nous donnons tout d'abord l'expression des potentiels électron-noyau et électron-électron à courte portée, violant la parité, prédits par les théories des interactions faibles contenant des courants neutres. Nous passons ensuite au calcul détaillé de l'élément de matrice du potentiel électron-noyau violant la parité entre des états s et p à une particule. Nous présentons une extension élaborée de la méthode utilisée par Foldy pour donner une base plus rigoureuse à la formule de Fermi-Segré donnant la valeur de la fonction d'onde d'un électron de valence dans un état s au niveau du noyau, et nous arrivons à une expression extrêmement simple, en fonction des énergies de liaison, avec une petite correction s'exprimant à l'aide du défaut quantique interpolé et du potentiel des électrons à l'origine. Nous indiquons les arguments qui nous permettent de penser que la précision de notre formule est comparable à celle de Fermi-Segré, c'est-a-dire quelques pour cents pour Z >> 1. Un caractère remarquable de ce résultat, outre sa simplicité, est sa variation en Z3 qui favorise de manière évidente les atomes lourds. Nous décrivons rapidement comment se manifeste le mélange de parité dans les transitions atomiques radiatives, en insistant particulièrement sur les conséquences de l'invariance par rapport au renversement du sens du temps qui est préservée par les interactions discutées dans ce papier. Pour améliorer les limites existantes, nous suggérons de chercher les effets de violation de la parité dans les transitions dipolaires magnétiques deux fois interdites, induites dans des atomes lourds par le faisceau d'un laser accordable. Dans un cas typique, tel que celui de la transition 6 S 1/2 → 7 S1/2 de la vapeur atomique de Césium, nous pouvons prédire un dichroisme circulaire de l'ordre de 10-4. Nous terminons par une discussion sur les possibilités offertes, apparemment à plus long terme, par les atomes muoniques.

PACS
1130E - Charge conjugation, parity, time reversal, and other discrete symmetries.
3115 - Calculations and mathematical techniques in atomic and molecular physics (excluding electron correlation calculations).

Key words
atomic structure -- neutral currents -- parity