[論文レビュー] Ground Tests of Einstein's Equivalence Principle: From Lab-based to 10-m Atomic Fountains

Dennis Schlippert, H. Albers+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ルビジウムとカリウム原子を用いた物質波干渉計を用いて、地上で高精度な自由落下の普遍性（UFF）のテストを実施し、エートヴォッシュ比を $(0.3 \pm 5.4) \times 10^{-7}$ の精度で達成した。また、ルビジウムとイットルビウムを用いた $10\text{\,m}$ の原子フュージョン実験への道筋を提示し、感度 $7 \times 10^{-13}$ を目指す。これは、最高の古典的テストを上回り、量子重力効果の探査が可能になる。

ABSTRACT

To date, no framework combining quantum field theory and general relativity and hence unifying all four fundamental interactions, exists. Violations of the Einstein's equivalence principle (EEP), being the foundation of general relativity, may hold the key to a theory of quantum gravity. The universality of free fall (UFF), which is one of the three pillars of the EEP, has been extensively tested with classical bodies. Quantum tests of the UFF, e.g. by exploiting matter wave interferometry, allow for complementary sets of test masses, orders of magnitude larger test mass coherence lengths and investigation of spin-gravity coupling. We review our recent work towards highly sensitive matter wave tests of the UFF on ground. In this scope, the first quantum test of the UFF utilizing two different chemical elements, Rb-87 and K-39, yielding an Eötvös ratio $η_{\, ext{Rb,K}}=(0.3\pm 5.4) imes 10^{-7}$ has been performed. We assess systematic effects currently limiting the measurement at a level of parts in $10^8$ and finally present our strategies to improve the current state-of-the-art with a test comparing the free fall of rubidium and ytterbium in a very long baseline atom interferometry setup. Here, a 10 m baseline combined with a precise control of systematic effects will enable a determination of the Eötvös ratio at a level of parts in $10^{13}$ and beyond, thus reaching and overcoming the performance limit of the best classical tests.

研究の動機と目的

• 量子的テスト質量を用いた自由落下の普遍性（UFF）のテストを行い、古典的マクロなテストとは補完的であるアプローチを提供する。
• 現在の物質波干渉計実験の感度を制限する系関連誤差を克服し、$10^8$ に達する感度を向上させる。
• ルビジウムとイットルビウムを用いた長基準 $10\text{\,m}$ の原子フュージョン干渉計を構築し、$10^{13}$ に達する感度で UFF テストを実施する。
• スピン-重力結合および量子系におけるテスト質量のコherー二ティを探索し、検証可能な相互作用の範囲を拡大する。
• 古典的テストと量子的テストの間の精度格差を埋め、古典的実験と同等の感度を達成する。

提案手法

• ルビジウム $^{87}\text{Rb}$ とカリウム $^{39}\text{K}$ の二種類の原子を用いた二重種物質波干渉計を用い、相対的自由落下を測定する。
• レーザー・パulses を用いて、原子波動関数を一貫して分割・再結合するマハーズ・ゼンダー型原子干渉計を実装する。
• 重力勾配効果を最小限に抑えるために、初期の空間的オフセットと相対速度をそれぞれ $10\text{\,nm}$ および $10\text{\,nm/s}$ 未満に制御する。
• 両種の原子を共にトラップするための光学的ダイポールトラップを採用し、差分光シフトを最小限に抑えるためにチューニングアウト波長を用いる。
• 各原子種に対してゼロ・マジック周波数で動作する二重格子加速系を採用し、両原子種を高精度で等しい速度に加速する。
• フュージョン幾何学を採用して自由落下時間を $2.8\text{\,s}$ に延長し、位相感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二種類の異なる化学元素（ルビジウムとカリウム）を用いた物質波干渉計を用いて、$10^{-7}$ に近い感度で自由落下の普遍性をテストできるか？
• RQ2 地上での量子的 UFF 測定の精度を制限する主な系関連誤差は何か？ そして、それらはどのように軽減できるか？
• RQ3 ルビジウムとイットルビウムを用いた $10\text{\,m}$ の原子フュージョン実験が、感度 $7 \times 10^{-13}$ を達成できるか？ これは古典的テストを上回るか？
• RQ4 スピン-重力結合および物質波における量子コヒーレンスが、UFF 測定の結果に与える影響は何か？
• RQ5 イットルビウムのチューニングアウト波長を実験的に決定できるか？ これにより、異なる原子種に対して選択的加速が可能になる。

主な発見

• ルビジウム $^{87}\text{Rb}$ とカリウム $^{39}\text{K}$ の二種類の異なる化学元素を用いた、最初の量子的 UFF 測定が実施され、エートヴォッシュ比は $(0.3 \pm 5.4) \times 10^{-7}$ を達成した。
• 現在の測定は、主に重力勾配と初期条件に起因する系関連誤差により、$10^8$ に達する感度に制限されている。
• 予想される $10\text{\,m}$ の原子フュージョン実験（$^{87}\text{Rb}$ と $^{170}\text{Yb}$ を用いて）では、感度 $7 \times 10^{-13}$ を達成すると予想され、最高の古典的テストを上回る。
• 二重格子加速系において、イットルビウムの差分光シフトを最小限に抑えるために、$358.78\text{\,nm}$ および $553.06\text{\,nm}$ のチューニングアウト波長が不可欠である。
• 各原子種に対してゼロ・マジック周波数で動作する二重格子システムにより、$1\text{\,nm/s}$ 未満の精度で、正確かつ選択的に等しい速度に加速できる。
• 本実験は、古典的実験と同等の感度を達成することで、古典的と量子的 UFF 測定の間の精度格差を埋めることを目的としている。