[논문 리뷰] Testing the Universality of Free Fall at ${10^{ - 10}}$ level by Comparing the Atoms in Different Hyperfine States with Bragg Diffraction

Ke Zhang, Min-Kang Zhou외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 20.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 $^{87}$Rb 원자에서 스핀이 같은 상태($F=1, m_F=0$ 및 $F=2, m_F=0$)를 가진 다양한 초미세 상태 간에 자유낙하의 보편성을 $10^{-10}$ 수준에서 검증한다. 공통 모드에서의 시스템적 오차를 억제함으로써 이러한 스핀이 같은 상태 간의 중력 가속도를 비교함으로써, 실험은 $ \eta = (0.9 \pm 2.7) \times 10^{-10}$의 결과를 도출하여 UFF의 높은 정밀도 확인과 스핀-중력 결합 메커니즘의 제약을 달성하였다.

ABSTRACT

We have performed a precision atomic interferometry experiment on testing the universality of free fall (UFF) considering atoms' spin degree of freedom. Our experiment employs the Bragg atom interferometer with $^{87}$Rb atoms either in hyperfine state $\left| {F = 1,{m_F} = 0} ight angle $ or $\left| {F = 2,{m_F} = 0} ight angle $, and the wave packets in these two states are diffracted in one pair of Bragg beams alternatively, which can help suppress the common-mode systematic errors. We have obtained an E$ m{\ddot{o}}$tv$ m{\ddot{o}}$s ratio $η= \left( { 0.9 \pm 2.7} ight) imes {10^{ - 10}}$, and set a new record on the precision with a nearly 5 times improvement. Our experiment gives stronger restrictions on the possible UFF breaking mechanism.

연구 동기 및 목표

• 자신의 초미세 상태가 다른 $^{87}$Rb 원자 간에 자유낙하의 보편성(UFF)을 향상된 정밀도로 검증하는 것.
• 중력에 수직인 스핀 성분이 UFF를 위반할 수 있는지 여부를 조사하여, 스핀-중력 결합 분야에서 열려 있는 질문을 해결하는 것.
• 동일한 Bragg 빔을 두 간섭계 모두에 사용하여 공통 모드에서의 시스템적 오차를 억제하는 것.
• 스핀 자유도에 의해 매개되는 UFF 위반 상호작용에 대한 새로운 실험적 한계를 설정하는 것.
• 고정밀 양자 중력 실험 플랫폼으로서 상태 레이블이 부여된 Bragg 간섭계의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 실험은 $F=1, m_F=0$ 및 $F=2, m_F=0$ 초미세 상태로 준비된 $^{87}$Rb 원자를 사용한 Bragg 원자 간섭계를 사용하며, 두 간섭계 모두 동일한 Bragg 빔을 사용한다.
• 간섭계 위상 $ \phi_{F=1}$ 및 $ \phi_{F=2}$ 를 측정하여 각각 중력 가속도 $g_{F=1}$ 및 $g_{F=2}$ 를 결정한다.
• 상대적 가속도 $ \Delta g = g_{F=1} - g_{F=2}$ 는 위상 차이 $ \phi_{F=1} - \phi_{F=2}$ 에서 추출되며, 이는 E\

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기적 스핀 상태가 동일한 $m_F=0$ 이지만 $F$ 가 다른 $^{87}$Rb 원자 간에 자유낙하의 보편성이 성립하는가?
• RQ2 일부 일반 상대성 이론의 확장에 따르면, 중력에 수직인 스핀 성분이 자유낙하의 보편성을 위반할 수 있는가?
• RQ3 hamiltonian $V_\perp(z) = \tilde{k}|F_\perp|^2 mgz$ 에서 스핀에 의존하는 UFF 위반 상호작용 항 $ \tilde{k}$ 의 상한은 얼마인가?
• RQ4 동일한 Bragg 빔을 사용하는 이중 간섭계 설정에서 공통 모드 시스템적 오차는 얼마나 효과적으로 억제될 수 있는가?
• RQ5 스핀 상태 레이블이 부여된 Bragg 간섭계를 사용하여 $^{87}$Rb 원자를 이용해 UFF를 검증할 때 도달 가능한 정밀도는 얼마인가?

주요 결과

• E\