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

Dennis Schlippert, H. Albers+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 39被引用 4

一句话总结

本论文通过铷和钾原子的物质波干涉仪，实现了一项高精度的地基自由落体普遍性（UFF）测试，获得的埃ötvös比为$(0.3 \pm 5.4) \times 10^{-7}$。论文概述了利用铷和镱实现10米原子喷泉实验的路径，目标灵敏度达$7 \times 10^{-13}$，将超越目前最佳的经典测试，并可探测潜在的量子引力效应。

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.

研究动机与目标

• 利用量子测试质量检验自由落体普遍性（UFF），为经典宏观测试提供互补方法。
• 克服当前物质波干涉仪实验中限制精度的系统误差，将灵敏度提升至$10^8$分之几。
• 开发基于铷和镱的长基线10米原子喷泉干涉仪，实现$10^{13}$分之几的UFF测试灵敏度。
• 探索自旋-引力耦合及量子系统中测试质量的相干性，拓展可检验相互作用的范围。
• 通过实现与经典实验相当的灵敏度，弥合经典与量子UFF测试之间的精度差距。

提出的方法

• 利用$^{87}\text{Rb}$和$^{39}\text{K}$原子的双组分物质波干涉仪测量相对自由落体差异。
• 采用马赫-曾德尔型原子干涉仪，通过激光脉冲实现原子波包的相干分束与再结合。
• 将初始空间偏移和速度差控制在$10\text{\,nm}$和$10\text{\,nm/s}$以内，以最小化重力梯度效应。
• 使用光学偶极阱同时捕获两种原子，通过调谐至消零波长以最小化差异性光频移。
• 在零-魔术频率下使用双光栅系统加速两种原子，实现高精度的等速发射。
• 采用喷泉几何结构，将自由下落时间延长至$2.8\text{\,s}$，以增强相位灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用物质波干涉仪，以接近$10^{-7}$的灵敏度，对两种不同化学元素进行自由落体普遍性测试？
• RQ2 当前限制地基量子UFF测试精度的主要系统效应是什么？如何加以缓解？
• RQ3 基于铷和镱的10米原子喷泉实验能否实现$7 \times 10^{-13}$的UFF灵敏度，达到或超越经典测试水平？
• RQ4 自旋-引力耦合及物质波中的量子相干性如何影响UFF测试结果？
• RQ5 能否在实验中确定镱的消零波长，以实现对不同原子种类的选择性光栅加速？

主要发现

• 首次利用两种不同化学元素$^{87}\text{Rb}$和$^{39}\text{K}$的量子方法测试自由落体普遍性，获得的埃ötvös比为$(0.3 \pm 5.4) \times 10^{-7}$。
• 系统效应目前将测量灵敏度限制在$10^8$分之几，主要源于重力梯度和初始条件。
• 计划中的基于$^{87}\text{Rb}$和$^{170}\text{Yb}$的10米原子喷泉实验预计可达到$7 \times 10^{-13}$的灵敏度，超越目前最佳的经典测试。
• 在双光栅加速中使用波长为$358.78\text{\,nm}$和$553.06\text{\,nm}$的镱消零波长，对最小化差异性光频移至关重要。
• 在每种原子的零-魔术频率下运行的双光栅系统，可实现亚纳米每秒精度的精确、选择性加速，使两种原子达到相同速度。
• 本实验旨在通过实现与最佳经典扭秤和月球激光测距实验相当的灵敏度，弥合经典与量子UFF测试之间的精度差距。