[論文レビュー] Towards an ultra-stable optical sapphire cavity system for testing Lorentz invariance

Moritz Nagel, Achim Peters|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2011

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、有限要素法（FEM）最適化された機械的固定構造と低ノイズ材料を用いて、1秒間の積分時間で$1 \times 10^{-16}$未満の分数周波数安定性を達成することを目的とした、液体ヘリウム冷却下でのサファイア光学キャビティシステムを提案している。このシステムにより、回転するミケルソン＝マレー型配置を用いてローレンツ不変性の実験的検証が可能となり、$10^{-20}$レベルの分解能が得られ、既存の実験と比較して100倍の性能向上が達成される。

ABSTRACT

We present a design for an ultra-stable cryogenically cooled sapphire optical cavity system, with fractional frequency stability better than 1 x 10^-16 at one second integration time. We plan to use such ultra-stable cavities to perform a test of the isotropy of light propagation at the 10^-20 level.

研究の動機と目的

• 超高精度なローレンツ不変性の実験的検証を目的とした、極めて安定な光学キャビティシステムの開発。
• 室温下の光学キャビティにおける熱雑音の制限を、4.2 Kに冷却することで克服すること。
• FEM最適化されたサファイアキャビティ固定構造を用いて、振動による機械的結合を低減すること。
• Ta₂O₅/SiO₂ミラー被膜を単結晶AlₓGa₁₋ₓAs被膜に置き換えることで、長期安定性を向上させること。
• 回転キャビティ装置を用いて、ローレンツ不変性の破れに対する感度を$10^{-19}$から$10^{-20}$のレベルに達するようにすること。

提案手法

• 熱的接触を向上させるとともに、振動への機械的結合を低減するためのサファイアキャビティの設計および有限要素法（FEM）シミュレーション。
• 室温の共振器における主要な不安定要因である熱雑音を低減するため、キャビティを4.2 Kに冷却。
• 10～100秒の周期でキャビティシステムを連続的に回転させる高精度・低ノイズのgranite（花こう岩）ターンテーブルの実装。
• 光の伝播の異方性を検出するため、直交配置された2つのキャビティを用いたミケルソン＝マレー干渉計構成の採用。
• オーストラリア・ウエスタン・ユニバーシティが開発した超高安定性液体ヘリウム冷却マイクロ波ウィスパリング・ギャラリー共振器を統合し、複数周波数帯域の信号検出を可能にする。
• アモルファスなTa₂O₅/SiO₂被膜を単結晶AlₓGa₁₋ₓAs被膜に置き換える計画であり、これにより熱雑音がさらに1桁以上低減される見込み。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体ヘリウム冷却下のサファイア光学キャビティは、1秒間の積分時間で$1 \times 10^{-16}$未満の分数周波数安定性を達成できるか？
• RQ2 FEM最適化された機械的固定構造は、液体ヘリウム冷却キャビティにおける振動誘発パス長変動をどの程度低減できるか？
• RQ3 回転キャビティ装置は、$10^{-20}$レベルのローレンツ不変性の破れを検出可能か？
• RQ4 非アモルファスなTa₂O₅/SiO₂被膜を単結晶AlₓGa₁₋ₓAs被膜に置き換えることで、安定性はどの程度向上するか？
• RQ5 共回転するマイクロ波および光学キャビティは、ローレンツ不変性破れ信号に対する感度を向上させることができるか？

主な発見

• 4.2 Kでの液体ヘリウム冷却下におけるサファイアキャビティの理論的周波数安定性は、室温下で最高の共振器システムよりも1桁以上優れていると予測されている。
• FEMシミュレーションの結果、最適化されたキャビティ設計により、垂直方向および水平方向の振動結合が、歪みが$10^{10}$倍にスケーリングされても最小限に抑えられ、機械的変形の低減が達成されている。
• 本システムは、長時間積分においても$1 \times 10^{-16}$未満の相対周波数安定性を達成すると予想され、超高精度なローレンツ不変性検証が可能となる。
• 単結晶AlₓGa₁₋ₓAs被膜への置き換えは、Ta₂O₅/SiO₂被膜と比較して、熱雑音をさらに1桁以上低減することが期待される。
• 回転するミケルソン＝マレー型装置は、$10^{-19}$から$10^{-20}$の範囲でローレンツ不変性の破れに対する感度を達成すると予想され、現在の実験を100倍以上上回る性能を発揮する。
• 液体ヘリウム冷却マイクロ波ウィスパリング・ギャラリー共振器の追加により、複数種類のローレンツ不変性破れ信号の同時検出が可能となる。