[論文レビュー] Precision test for the new Michelson-Morley experiments with rotating cryogenic cavities

M. Consoli|ArXiv.org|Jun 1, 2005

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2005年デュッセルドルフの回転する冷却キャビティを用いたミケルソン＝マレー実験で観測された恒星周期モードの振幅 $ C_{\rm sid} \sim (11 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ が、1926年のミラーの歴史的データと整合しており、地球の速度が優先フレームに対して変化するため、8月から9月にかけて70%増加し、$ C_{\rm sid} \sim (19 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ になると予測している。これが確認されれば、標準的なローレンツ不変性に反する優先的参照フレームの存在を強く示す証拠となる。

ABSTRACT

A new ether-drift experiment in Düsseldorf is currently measuring the relative frequency shift of two cryogenic optical resonators upon active rotations of the apparatus. I point out that the observed fractional amplitude of the sidereal variations of the signal in February, C_sid \sim (11 \pm 2) 10^{-16}, is entirely consistent with the expectations based on Miller's observations in the same epoch of the year. This leads to predict that, with future data collected in August-September, the observed sidereal variations should increase by \sim + 70 %, i.e. up to C_sid \sim (19\pm 2) 10^{-16} retaining the present normalization. This would represent clean experimental evidence for the existence of a preferred frame.

研究の動機と目的

• 最近の高精度なエーテル漂流実験が、同じ時期に収集された歴史的ミラーのデータと整合しているかを検証すること。
• 2005年8月～9月に収集される今後のデータにおいて、周波数シフトの恒星周期モードの振幅が顕著に増加することを予測すること。
• 現代の冷却キャビティ実験とミラーの1926年の観測結果を比較することで、優先的慣性フレームの存在を定量的に検証すること。
• 観測された周波数シフトが、重力ポテンシャルによる非真空中屈折率を伴うローレンツ不変理論によって説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 光が等方的である優先フレーム Σ を仮定するローレンツ相対性理論の理論的枠組みを用い、地球フレームへのローレンツ変換を適用する。
• 周波数シフトを回転角 θ と地球の速度の関数としてモデル化するための式 $ \frac{\delta\nu}{\nu} \sim |B_{\rm medium}| \frac{v^{2}_{\rm earth}}{c^{2}} \cos(2\theta) $ を適用する。
• 重力ポテンシャルに起因する真空中の屈折率を $ {\cal N}_{\rm vacuum} \sim 1 - 2\varphi $ と推定し、$ \varphi \sim -0.7 \cdot 10^{-9} $ から $ B_{\rm vacuum} \sim -4.2 \cdot 10^{-9} $ を得る。
• デュッセルドルフ実験で観測された恒星周期モードの振幅 $ C_{\rm sid} $ を、2月と8月～9月のミラーの歴史的データと比較し、今後の信号挙動を予測する。
• 観測された速度範囲を運動論的地球速度の推定値に変換するための関係式 $ v^{2}_{\rm obs} \sim 3({\cal N}^{2}_{\rm medium} - 1)v^{2}_{\rm earth} $ を用いる。
• CMBRと一致するとは限らない優先フレームの存在を仮定せず、今後のデータをモデルに依存しない分析で検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2005年2月に観測されたデュッセルドルフ実験の恒星周期モードの振幅が、ミラーの1926年データに基づく理論的予測と整合しているか？
• RQ2 ミラーの観測が示すように、8月～9月にデータを収集した場合、周波数シフトの恒星周期変動の振幅が約70%増加するか？
• RQ3 冷却キャビティ実験で観測された周波数シフトは、標準的な真空中ローレンツ不変性ではなく、重力ポテンシャルに起因する非真空中屈折率によって説明可能か？
• RQ4 $ C_{\rm sid} $ が $ (11 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ から $ (19 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ に増加することが確認されれば、これは優先的慣性フレームの存在を明確に示す実験的証拠となるか？

主な発見

• 2005年2月に観測された恒星周期モードの振幅 $ C_{\rm sid} \sim (11 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ は、同じ時期に収集されたミラーの1926年データに基づく理論的予測と整合している。
• 2月から8月～9月への恒星周期モードの振幅の増加は約+70%であり、$ C_{\rm sid} \sim (19 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ に上昇すると予測されている。
• 理論的恒星周期変動の振幅は $ \Delta A_{\rm th} \sim \pm 0.29~{}\text{Hz} $ であり、これは $ \sim \pm 10 \cdot 10^{-16} $ の分数変化に相当し、観測された $ \Delta A_{\rm exp} \sim \pm 0.31~{}\text{Hz} $ と整合している。
• 観測された $ C_{\rm sid} $ 値は、1日あたりの振幅変動が $ \pm 0.31~{}\text{Hz} $ であることを示しており、ミラーのデータから導かれる理論的予測値 $ \pm 0.17~{}\text{Hz} $ と一致しており、わずかな不一致は実験の正規化に起因すると説明できる。
• 8月～9月に予測される $ (19 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ の振幅が確認されれば、現在の値から3–4σのずれとなり、優先フレームの存在を強く示す証拠となる。
• 結果から、観測された周波数シフトは、真空中のローレンツ破れではなく、地球の重力ポテンシャルに起因する非真空中屈折率に起因する可能性が高いと示唆される。