[논문 리뷰] Ground Tests of Einstein's Equivalence Principle: From Lab-based to 10-m Atomic Fountains

Dennis Schlippert, H. Albers외 11명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 리비듐과 세스륨 원자를 사용한 물질파 간섭계를 통해 지상에서 고정밀도로 자유낙하의 일반성(UFF)을 시험하며, 에오티로스 비율로 $(0.3 \pm 5.4) \times 10^{-7}$ 를 달성한다. 리비듐과 이트륨을 사용한 $10\text{\,m}$ 원자 분수 실험으로의 길을 제시하며, 감도를 $7 \times 10^{-13}$ 으로 끌어올려 기존의 최고 수준의 고전적 시험을 뛰어넘고 양자 중력 효과를 탐색할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 시험 질량을 이용한 자유낙하의 일반성(UFF) 시험을 통해 고전적 매크로스코픽 시험과 보완적인 접근을 제공한다.
• 현재의 물질파 간섭계 실험을 제한하는 시스템적 오차를 극복하고, $10^8$ 분율 수준의 감도를 향상시킨다.
• 리비듐과 이트륨을 사용한 장거리 $10\text{\,m}$ 원자 분수 간섭계를 개발하여, $10^{13}$ 분율 수준의 UFF 시험을 수행한다.
• 스핀-중력 결합과 양자 시스템에서의 시험 질량의 얽힘 상태를 탐색하여 시험 가능한 상호작용의 범위를 확장한다.
• 고전적 실험과 경쟁 가능한 감도를 확보하여, 고전적 실험과 양자 실험 간의 정밀도 격차를 메운다.

제안 방법

• 리비듐-$^{87}\text{Rb}$ 와 세스륨-$^{39}\text{K}$ 원자를 사용한 이중종 물질파 간섭계를 활용하여, 차별적 자유낙하를 측정한다.
• 레이저 펄스를 사용해 원자 웨이브 패킷을 일관되게 분할하고 재결합시키는 맥스-제이너 유형의 원자 간섭계를 시행한다.
• 중력 기울기 영향을 최소화하기 위해, 초기 공간적 오프셋과 차별적 속도를 각각 $10\text{\,nm}$ 이하와 $10\text{\,nm/s}$ 이하로 제어한다.
• 두 종류의 원자를 함께 포획하기 위해 광학적 디폴 트랩을 사용하며, 차별적 빛 이완을 최소화하기 위해 튜닝 아웃 파장(또는 튜닝 아웃 파장)을 적용한다.
• 각 종류의 원자에 대해 제로-마직릭 주파수에서 작동하는 이중 격자 구동 시스템을 사용하여, 높은 정밀도로 두 원자 종류를 동일한 속도로 가속화한다.
• 자기 분수 기하구조를 도입하여 자유낙하 시간을 $2.8\text{\,s}$ 로 연장함으로써 위상 감도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질파 간섭계를 사용해 두 가지 다른 화학 원소를 이용해 자유낙하의 일반성을 $10^{-7}$ 수준의 감도에 가까이 시험할 수 있는가?
• RQ2 지상 기반의 양자 UFF 시험의 정밀도를 제한하는 주요 시스템적 오차는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 리비듐과 이트륨을 사용한 $10\text{\,m}$ 원자 분수 실험은 $7 \times 10^{-13}$ 의 UFF 감도를 달성할 수 있는가? 이는 고전적 시험을 뛰어넘는가?
• RQ4 스핀-중력 결합과 물질파의 양자 얽힘 상태는 UFF 시험 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이트륨에 대한 튜닝 아웃 파장을 실험적으로 결정할 수 있는가? 이를 통해 서로 다른 원자 종류에 대해 선택적 격자 가속을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 리비듐-$^{87}\text{Rb}$ 와 세스륨-$^{39}\text{K}$ 를 사용한 두 번째 화학 원소를 이용한 첫 번째 양자 UFF 시험으로, 에오티로스 비율은 $(0.3 \pm 5.4) \times 10^{-7}$ 으로 측정되었다.
• 현재 시스템적 오차로 인해 측정의 감도가 $10^8$ 분율 수준으로 제한되며, 주로 중력 기울기와 초기 조건 때문인 것으로 나타났다.
• 리비듐-$^{87}\text{Rb}$ 와 이트륨-$^{170}\text{Yb}$ 를 사용한 제안된 $10\text{\,m}$ 원자 분수 실험은 감도 $7 \times 10^{-13}$ 에 도달할 것으로 예상되며, 이는 최고 수준의 고전적 시험을 뛰어넘는다.
• 이중 격자 구동에서 이트륨에 대한 튜닝 아웃 파장 $358.78\text{\,nm}$ 과 $553.06\text{\,nm}$ 의 사용은 이중 빛 이완을 최소화하는 데 핵심적이다.
• 각 종류의 원자에 대해 제로-마직릭 주파수에서 작동하는 이중 격자 시스템은, $1\text{\,nm/s}$ 이하 정밀도로 동일한 속도로 선택적 가속을 가능하게 한다.
• 실험은 최고 수준의 고전적 토크션 볼런스 및 달 표면 레이저 레인지 실험과 경쟁 가능한 감도를 확보함으로써, 고전적 실험과 양자 실험 간의 정밀도 격차를 메우는 것을 목표로 한다.