[論文レビュー] Testing Lorentz symmetry of special relativity by means of the Virgo or Ligo set-up, through the differential measure of the two orthogonal beams time-of-flight

G. Sardin|ArXiv.org|Apr 25, 2004

Relativity and Gravitational Theory参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、120–200 kmの経路長における2つの直交するレーザー光ビーム間の微小な時間差を測定することで、LIGOまたはVirgoの干渉計装置を用いて、特殊相対性理論におけるローレンツ対称性の新たなテストを提案している。ナノ秒レベルの分解能を持つ超短パルスと高速検出器を用いることで、慣性系が電磁的に同等であるかどうか（相対性理論が予測する通り）、あるいはローレンツ対称性の破れによって、宇宙背景放射の静止系のような優先フレームが存在するかどうかを調べることができる。

ABSTRACT

A novel experiment to test special relativity via Lorentz symmetry has become factible thanks to three recent technological achievements: huge Michelson-like set-up with arms 3 km long (Virgo) and 4 km (Ligo) with beam paths respectively reaching 120 km and 200 km through multiple reflections, ultrashort laser pulses of 10-15 s and ultrafast detectors of 10-12 s resolution. The alliance of these three elements would allow checking the equality of the time-of-flight of the two orthogonal beams with a resolution high enough to allow prospecting in a novel way the equivalency of inertial system postulated in special relativity. In effect, for a beam path length of 120 or 200 km and a net drift velocity of earth of 370 km/s relative to the cosmic microwave background CMB), a classical analysis predicts a time-of-flight difference of the order of 10 ns between the two orthogonal beams, while relativity infers them to be equal. So, what is under scrutiny is the exhaustivity of the electromagnetic equivalency of inertial systems. A null time-of-flight difference would strengthen the Lorentz symmetry, while a non null result would bring a threshold to the equivalency of inertial systems and at the same time would provide a tool to define their speed, which should be equal to that relative to the CMB for being congruent.

研究の動機と目的

• 特殊相対性理論の根本的仮定、すなわちすべての慣性系が電磁的に同等であるという仮定を検証すること。
• ローレンツ対称性の破れによって、宇宙背景放射（CMB）静止系のような優先慣性系が存在するかどうかを調査すること。
• 既存のLIGO/Virgoインfraストラクチャを活用し、直交するビーム間の時間差の等価性を高精度でテストすること。
• 最新の計測技術を用いて、電磁現象におけるローレンツ不変性の包括的適用を調べること。
• ローレンツ対称性が破れている場合に、慣性系の絶対的速度をCMBに対して測定する手法を提供すること。

提案手法

• Virgo（120 kmのビーム路）およびLIGO（200 kmのビーム路）の大型ミケルソン干渉計の幾何構造を活用し、複数回の反射によって実現する。
• 各直交するアームに、持続時間が約10−15 sの超短レーザーパルスを注入する。
• 時間分解能が10−12 sの超高速検出器を用い、各パルスの到着時間を独立して測定する。
• 2つの直交するビーム間の時間差を差分測定することで、非対称性の有無を検出する。
• 古典的予測（地球がCMBに対して370 km/sで運動するための約10 nsの差）と相対論的予測（差がゼロ）とを比較する。
• ノル結果または非ゼロのずれを用いて、ローレンツ対称性の妥当性を評価し、存在する場合には優先フレームを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的物理学では、優先フレームを想定した場合、大規模干渉計の2つの直交アーム間で光の時間差が生じると予測されるか？
• RQ2 特殊相対性理論およびローレンツ対称性が要求するように、光の時間差がすべての慣性系で等しいか？
• RQ3 VirgoまたはLIGOの装置は、ナノ秒レベルの時間差を検出でき、ローレンツ対称性の破れを調べるのに十分な感度を持つか？
• RQ4 非ゼロの時間差が観測された場合、それは地球のCMBに対する速度に対応するか？
• RQ5 このような測定が、絶対的速度フレームを定義でき、相対性の原理に反するおそれがあるか？

主な発見

• 古典的解析では、地球がCMBに対して370 km/sで運動するため、2つの直交アーム間で約10ナノ秒の時間差が生じると予測される。
• 特殊相対性理論では、系の運動にかかわらず、両アームの時間差が正確に等しくなると予測される。
• 提案された実験は、10 ns以下レベルの時間差を検出可能な分解能を達成でき、ローレンツ対称性の直接的テストが可能になる。
• ノル結果（時間差が等しい）が得られれば、ローレンツ対称性の妥当性および慣性系の電磁的同等性が強く支持される。
• 非ノル結果が得られれば、ローレンツ対称性の破れを示し、系のCMB静止系に対する相対的速度を直接測定できる。
• 本手法は、慣性系の電磁的同等性の包括的適用を調べる、新規で高精度な方法を提供する。