[論文レビュー] 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 Zhou+7 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、$^{87}$Rb原子の異なるハイパーファイン状態（$F=1, m_F=0$ および $F=2, m_F=0$）を用いたブレッグ原子干渉計を用いて、自由落下の普遍性（UFF）を$10^{-10}$レベルでテストした。共通モードの系誤差抑制を介して、スピンデgenerate状態間の重力加速度を比較することで、$ \eta = (0.9 \pm 2.7) \times 10^{-10}$という結果を得て、UFFの高精度での確認とスピン-重力結合メカニズムの制約を達成した。

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.

研究の動機と目的

• 異なるハイパーファイン状態に準備された$^{87}$Rb原子間における自由落下の普遍性（UFF）を、より高い精度でテストすること。
• 重力に垂直なスピン投影がUFFを破る可能性があるかどうかを検証し、スピン-重力結合に関する未解決の問題に取り組むこと。
• 同一のブレッグビームを両干渉計に使用することで、共通モードの系誤差を抑制すること。
• スピン自由度によって媒介される可能性のあるUFF違反相互作用に対する新たな実験的限界を設定すること。
• 高精度な量子重力テストのためのプラットフォームとして、状態ラベル付きブレッグ干渉計の有効性を示すこと。

提案手法

• 実験は、$F=1, m_F=0$ および $F=2, m_F=0$ のハイパーファイン状態に準備された$^{87}$Rb原子を用いたブレッグ原子干渉計であり、両者に同一のブレッグビームを用いて回折させた。
• 干渉位相$\phi_{F=1}$ および $\phi_{F=2}$ を測定することで、それぞれ重力加速度$g_{F=1}$ および $g_{F=2}$ を決定した。
• 位相差$\phi_{F=1} - \phi_{F=2}$ から微小加速度差$\Delta g = g_{F=1} - g_{F=2}$ を抽出した。ここで、E\" に続く記述は省略。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の$m_F=0$ だが異なる$F$を有する$^{87}$Rb原子間で、自由落下の普遍性が成立するか？
• RQ2 一般相対性理論の拡張理論が示唆するように、重力に垂直なスピン投影が自由落下の普遍性を破る可能性はあるか？
• RQ3 ハミルトニアン$V_\perp(z) = \tilde{k}|F_\perp|^2 mgz$ におけるスピン依存のUFF違反項$\tilde{k}$ の上界は何か？
• RQ4 同一のブレッグビームを用いた二重干渉計設定において、共通モードの系誤差はどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ5 $^{87}$Rbを用いた状態ラベル付きブレッグ干渉計を用いた場合、UFFテストで達成可能な精度はどの程度か？

主な発見

• E\