[論文レビュー] Differential atom interferometry with $^{87}$Rb and $^{85}$Rb for testing the UFF in STE-QUEST

Christian Schubert, Jonas T. Hartwig+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 3被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、宇宙ミッションSTE-QUESTの自由落下の普遍性（UFF）を2×10^15の感度でテストするための二種類の87Rb/85Rb原子干渉計を提案する。微小重力下で対称的なラーマンビームスプリッターを用いることで、共通モードノイズ抑制により環境ノイズを低減し、線形加速度および振動の抑制比を2.5×10^−9にまで低下させ、5秒間の自由落下時間における高精度な差動加速度測定を可能にする。

ABSTRACT

In this paper we discuss in detail an experimental scheme to test the universality of free fall (UFF) with a differential $^{87}$Rb / $^{85}$Rb atom interferometer applicable for extended free fall of several seconds in the frame of the STE-QUEST mission. This analysis focuses on suppression of noise and error sources which would limit the accuracy of a violation measurement. We show that the choice of atomic species and the correctly matched parameters of the interferometer sequence are of utmost importance to suppress leading order phase shifts. In conclusion we will show the expected performance of $2$ parts in $10^{15}$ of such an interferometer for a test of the UFF.

研究の動機と目的

• 宇宙空間で自由落下の普遍性（UFF）をテストするため、87Rbおよび85Rb同位体を用いた高精度な差動原子干渉計を開発すること。
• 同一の原子種として非常に近い特性を示す二種類の原子を用いて、共通モードノイズ抑制により振動および加速度などの環境ノイズ源を低減すること。
• エーテヴォス比に対するターゲット感度を10^15の2部に1つ、つまり2×10^−15に達成すること。
• 微小重力環境下における磁場勾配、波面の湾曲、および余計な加速度に起因する一次の位相誤差を評価し、それらを低減すること。
• STE-QUESTミッションの原子干渉計ペイロードのための堅牢な誤差予算および性能モデルを確立すること。

提案手法

• マッハ＝ゼンダ型干渉計を採用し、対称的なラーマンビームスプリッターを用いて87Rbおよび85Rbの物質波を同時に干渉的に分割・再結合する。
• STE-QUEST軌道における微小重力状態により、5秒間の自由落下時間を実現し、UFF感度に寄与する位相の蓄積を最大化する。
• 両種の原子の展開速度を82 µm/sに正確に一致させ、波面の湾曲に起因する位相バイアスを最小限に抑える。
• 同じリバース反射ビームスプリッティング光場を共有することで共通モードノイズ抑制を実現し、振動および線形加速度の抑制比を2.5×10^−9にまで低下させる。
• 内部状態の準備を逆転させることで、残留する磁場勾配効果をキャンセルする。
• 余計な加速度、重力勾配、ビームスプリッターの不正確さなどの系誤差を評価し、ターゲット感度と整合していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 87Rbおよび85Rbを用いた差動原子干渉計は、どのように環境ノイズを低減させ、宇宙空間で10^−15未満のUFFテストを可能にするか？
• RQ2 二種類の同元素同位体を用いた干渉計において、支配的な系誤差位相シフトは何か、そして微小重力環境でそれらをどのように低減できるか？
• RQ3 同一元素の二種類の同位体を用いることで、振動および加速度の共通モード抑制はどの程度達成可能か？
• RQ4 波面の湾曲、磁場勾配、およびビームスプリッターの不完全性が差動位相に与える影響は何か、また補正にはどのような措置が必要か？
• RQ5 ミッションの軌道およびペイロード制約を考慮した場合、STE-QUESTの原子干渉計がエーテヴォス比に対してどの程度の感度を達成できるか？

主な発見

• 共通モードノイズ抑制により、二種類の同位体を用いた87Rb/85Rb干渉計は、線形加速度および振動に対して2.5×10^−9の抑制比を達成した。
• 干渉計設計により、微小重力下で5秒間の自由落下時間を実現でき、UFFテストのための位相感度を最大化した。
• 両種の原子の展開速度を82 µm/sに一致させることで、波面の湾曲に起因する位相バイアスをキャンセルした。
• エーテヴォス比に対する推定感度は1回転あたり5.3×10^−14未満であり、1.5年間の運用で統合感度が2×10^−15未満に達することが示された。
• 余計な加速度、磁場勾配、ビームスプリッターの不正確さなどの系誤差は、ターゲット不正確さ2×10^−15と整合していると推定された。
• 誤差予算の結果、すべての主要なノイズ源が許容範囲内にあり、システムはショットノイズ制限に近い設計となっており、20秒サイクルあたりの差動加速度感度は3×10^−12 m/s²に達している。