[論文レビュー] Improved tests of Local Position Invariance using 87Rb and 133Cs fountains

Jocelyne Guéna, Michel Abgrall+6 more|UWA Profiles and Research Repository (University of Western Australia)|May 18, 2012

Radioactive Decay and Measurement Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、14年間にわたり87Rbおよび133Cs原子ふくらはし時計を用いて、局所位置不変性の改善された実験的検証を実施した。時間変化の限界は $ d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dt = (-1.39 \pm 0.91) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $ に達し、前回の結果比で7.7倍の改善を達成した。重力ポテンシャル依存性についての最初の制約も得られ、$ c^2 d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dU = (0.11 \pm 1.04) \times 10^{-6} $ となった。これらの結果は、微細構造定数 $\alpha$ やその他の基本定数の変動を高精度で制約するものである。

ABSTRACT

We report tests of local position invariance based on measurements of the ratio of the ground state hyperfine frequencies of 133Cs and 87Rb in laser-cooled atomic fountain clocks. Measurements extending over 14 years set a stringent limit to a possible variation with time of this ratio: d ln(nu_Rb/nu_Cs)/dt=(-1.39 +/- 0.91)x 10-16 yr-1. This improves by a factor of 7.7 over our previous report (H. Marion et al., Phys. Rev. Lett. 90, 150801 (2003)). Our measurements also set the first limit to a fractional variation of the Rb/Cs ratio with gravitational potential at the level of c^2 d ln(nu_Rb/nu_Cs)/dU=(0.11 +/- 1.04)x 10^-6, providing a new stringent differential redshift test. The above limits equivalently apply to the fractional variation of the quantity alpha^{-0.49}x(g_Rb/g_Cs), which involves the fine structure constant alpha and the ratio of the nuclear g-factors of the two alkalis. The link with variations of the light quark mass is also presented together with a global analysis combining with other available highly accurate clock comparisons.

研究の動機と目的

• 14年間にわたり87Rbおよび133Cs原子ふくらはし時計のハイパーファイン周波数比を測定することで、局所位置不変性（LPI）を検証すること。
• Rb/Cs周波数比の時間変化に対するきつい限界を設定し、前回の結果比で7.7倍の改善を達成すること。
• Rb/Cs周波数比の重力ポテンシャル依存性に関する最初の実験的限界を確立し、差分赤方偏移テストを可能にすること。
• 原子および核構造計算を用いて、測定された周波数比の変動を微細構造定数 $\alpha$、電子-陽子質量比 $\mu$、および $m_q/\Lambda_{\text{QCD}}$ と結びつけること。
• 本結果を他の高精度時計比較結果と統合したグローバル解析を実施し、基本定数の時間的および重力ポテンシャル的変動に関する制約を更新すること。

提案手法

• 実験はLNE-SYRTEに設置された二重ふくらはし時計（FO2）を用い、1つの真空容器内で87Rbおよび133Cs原子を同時に冷却・発射・プローブ・検出する。ラーマン干渉法を用いて測定を行う。
• 共通の超高安定度低ノイズ冷温発振器を用いることで、長時間にわたるRbおよびCsハイパーファイン周波数の精密比較が可能になった。
• 詳細な不確かさ予算を用いて系の系統的ずれを補正し、データは864秒間隔で平均化してノイズを低減し、共通モードの発振器ドリフトを除去する。
• Rb/Cs比較の相対周波数不安定度は、量子投影ノイズに制限され、数日間の平均で $ 2 \times 10^{-16} $ の分解能に達する。
• 長期的なデータ系列に対してフィッティングを適用し、Rb/Cs周波数比の時間変化を決定する。ノイズの床に達した後は、不確かさの主な要因が系統的効果に由来する。
• 複数の時計比較結果を用いたグローバル最小二乗フィッティングを実施し、$\alpha$、$\mu$、$m_q/\Lambda_{\text{QCD}}$ の時間的および重力ポテンシャル的変動を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Rb/Csハイパーファイン周波数比の時間変化に対する、最もきつい実験的限界は何か？
• RQ2 Rb/Cs周波数比は重力ポテンシャルにどれほど敏感であり、その差分赤方偏移依存性に関する最初の実験的制約は何か？
• RQ3 測定された周波数比の変動は、微細構造定数 $\alpha$ および電子-陽子質量比 $\mu$ の時間的変動をどの程度まで制約するか？
• RQ4 本Rb/Cs比較の結果は、グローバル解析における $\mu$ と $m_q/\Lambda_{\text{QCD}}$ の寄与を分離するためにどの程度貢献するか？
• RQ5 本実験を含むグローバル解析に基づき、基本定数の重力への結合に関する更新された制約は何か？

主な発見

• Rb/Cs周波数比の時間変化は $ d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dt = (-1.39 \pm 0.91) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $ と測定され、前回の最良結果比で7.7倍の改善を達成した。
• Rb/Cs周波数比の重力ポテンシャル依存性に関する最初の実験的限界は $ c^2 d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dU = (0.11 \pm 1.04) \times 10^{-6} $ であり、きつい差分赤方偏移テストを提供する。
• 微細構造定数の時間変化は $ d\ln\alpha/dt = (-0.25 \pm 0.26) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $ と制約され、変化なしと整合的である。
• 電子-陽子質量比 $\mu = m_e/m_p$ は $ d\ln\mu/dt = (1.5 \pm 3.0) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $ と制約され、変化の証拠はない。
• $ m_q/\Lambda_{\text{QCD}} $ は $ d\ln(m_q/\Lambda_{\text{QCD}})/dt = (71 \pm 44) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $ と制約され、顕著な時間変化はない。
• $ m_e/\Lambda_{\text{QCD}} $ の重力への結合は $ c^2 d\ln(m_e/\Lambda_{\text{QCD}})/dU = (-4 \pm 17) \times 10^{-6} $ と求められ、ゼロと整合的である。