[論文レビュー] The status and prospects of the Q & A experi- ment with some applications

Hsien-Hao Mei, Wei-Tou Ni+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2009

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、QED真空二色性および擬スカラー光子相互作用を測定することを目的とした高感度ファーブリ・ペロー干渉計であるQ & A実験の現状と未来のアップグレードについて提示する。7 mのアーム長、2.3 Tの回転永久磁石、532 nmレーザーを用いた実験では、10 nrad/Hz¹²の光学感度を達成し、50日間でQED二色性の28%測定が可能になるとともに、二色性検出限界の向上も図る。

ABSTRACT

Motivated to measure the QED birefringence and to detect pseudoscalar-photon interaction, we started to build up the Q & A experiment (QED [Quantum Electrodynamics] and Axion experiment) in 1994. In this talk, we first review our 3.5 m Fabry-Perot interferometer together with our results of measuring Cotton-Mouton effects of gases. We are uprading our interferometer to 7 m armlength with a new 1.8 m 2.3 T permanent magnet capable of rotation up to 13 cycles per second. We will use 532 nm Nd:YAG laser as light source with cavity finesse around 100,000, and aim at 10 nrad/Hz^{1/2} optical sensitivity. With all these achieved and the upgrading of vacuum, QED birefringence would be measured to 28% in about 50 days. Along the way, we should be able to improve on the dichroism detection significantly.

研究の動機と目的

• 未だかつてない感度で量子電磁力学（QED）真空二色性を測定すること。
• axion-like粒子を含む擬スカラー光子相互作用を探索すること。
• 標準模型を超える新しい物理現象のための二色性検出感度を向上させること。
• 重力波検出から応用される高精度干渉計技術を、基礎的な量子場理論の検証に応用すること。
• 気体を標準校正基準として用いて、強い磁場下における真空二色性の理論的予測を検証すること。

提案手法

• 地震波および熱雑音を最小限に抑えるために、Xパendulum-ダブルパendulum方式でサスペンデッドした高ファインネス鏡を備えた3.5 mのプロトタイプファーブリ・ペロー干渉計を用いる。
• 磁場によって誘発される偏光状態の微小変化を検出するために、高精度のエリプソメータを用いる。
• 1064 nmの波長、2.3 Tの磁場、0.5〜300 Torrの圧力範囲で、N₂、O₂、CO₂、Ar、KrにおけるCotton-Mouton効果を測定する。
• 13 Hzのモード化が可能な1.8 m、2.3 Tの回転永久磁石を備えた7 mアーム長の干渉計にアップグレードする。
• 532 nmのNd:YAGレーザーを用い、100,000程度のキャビティファインネスを達成し、10 nrad/Hz¹²の光学感度を目標とする。
• 技術的雑音を低減し、長期安定性を向上させるために、高度なレーザー安定化および真空システムを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高ファインネスのファーブリ・ペロー干渉計を用いた実験室環境下で、サブナノラジアンの感度でQED真空二色性を測定できるか？
• RQ2 1064 nmおよび2.3 Tの条件下で、常温・1 atmのN₂、O₂、CO₂、Ar、KrのCotton-Mouton二色性係数は何か？また、既存データと比較するとどうなるか？
• RQ3 アップグレードされたQ & A実験において、二色性検出感度はどの程度向上できるか？
• RQ4 回転磁石を備えた7 m干渉計構成は、微弱な真空二色性効果の検出に際して信号対雑音比を向上させられるか？
• RQ5 QED真空二色性を28%の精度で測定するための予想される感度と測定時間は何か？

主な発見

• 2.3 T、0.6 mの長さの磁石を通った18,700パスにおいて、真空二色性感度が(−0.2 ± 2.8) × 10⁻¹³ rad/passに達した。
• 1064 nm、1 atm/1 T条件下でのN₂、O₂、CO₂、Ar、Krの正規化されたCotton-Mouton二色性係数を測定し、Kr、N₂、O₂についてはPVLASデータと1.2 σ以内で一致した。
• CO₂のCotton-Mouton係数は(−4.22 ± 0.27§ ± 0.16¶) × 10⁻¹³と測定され、1064 nm波長での新測定である。
• Arの測定結果は(4.31 ± 0.34§ ± 0.17¶) × 10⁻¹⁵であり、同波長での新測定であった。
• ファインネス100,000、532 nmレーザーを備えたアップグレードされた7 m干渉計は、10 nrad/Hz¹²の光学感度を達成すると予想される。
• アップグレードされたシステムと改善された真空環境を用いることで、QED二色性は約50日間で28%の精度で測定可能となる。