[论文解读] Improved tests of Local Position Invariance using 87Rb and 133Cs fountains

Jocelyne Guéna, Michel Abgrall+6 more|UWA Profiles and Research Repository (University of Western Australia)|May 18, 2012

Radioactive Decay and Measurement Techniques被引用 4

一句话总结

本研究基于14年来对 87Rb 和 133Cs 原子喷泉钟的改进型实验室测试，检验了局部位置不变性，测得频率比的时间变化极限为 $ d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dt = (-1.39 \pm 0.91) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $，相比以往工作提升了7.7倍，并首次设定了对引力势依赖性的约束，结果为 $ c^2 d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dU = (0.11 \pm 1.04) \times 10^{-6} $。这些结果以高精度约束了精细结构常数 $\alpha$ 及其他基本常数的变化。

ABSTRACT

We report tests of local position invariance based on measurements of the ratio of the ground state hyperfine frequencies of 133Cs and 87Rb in laser-cooled atomic fountain clocks. Measurements extending over 14 years set a stringent limit to a possible variation with time of this ratio: d ln(nu_Rb/nu_Cs)/dt=(-1.39 +/- 0.91)x 10-16 yr-1. This improves by a factor of 7.7 over our previous report (H. Marion et al., Phys. Rev. Lett. 90, 150801 (2003)). Our measurements also set the first limit to a fractional variation of the Rb/Cs ratio with gravitational potential at the level of c^2 d ln(nu_Rb/nu_Cs)/dU=(0.11 +/- 1.04)x 10^-6, providing a new stringent differential redshift test. The above limits equivalently apply to the fractional variation of the quantity alpha^{-0.49}x(g_Rb/g_Cs), which involves the fine structure constant alpha and the ratio of the nuclear g-factors of the two alkalis. The link with variations of the light quark mass is also presented together with a global analysis combining with other available highly accurate clock comparisons.

研究动机与目标

• 通过在14年内测量 87Rb 和 133Cs 原子喷泉钟的超精细频率比，检验局部位置不变性（LPI）。
• 对 Rb/Cs 频率比的时间变化设定严格限制，相比以往结果提升7.7倍。
• 建立 Rb/Cs 频率比随引力势变化的首个实验限制，从而实现差分引力红移检验。
• 通过原子与核结构计算，将测得的频率比变化与精细结构常数 $\alpha$、电子与质子质量比 $\mu$，以及比值 $m_q/\Lambda_{\text{QCD}}$ 联系起来。
• 通过结合本研究结果与其他高精度钟比较的全局分析，更新基本常数在时间与引力势变化方面的约束。

提出的方法

• 实验在 LNE-SYRTE 的双喷泉钟（FO2）中进行，利用拉姆齐探测方法，在单个真空室中同时对 87Rb 和 133Cs 原子进行冷却、抛射、探测与检测。
• 两套钟共用一个超低噪声低温振荡器，实现长时间积分下对 Rb 与 Cs 超精细频率的精确比较。
• 通过详细的不确定度预算校正系统性偏差，数据以864秒为间隔平均，以抑制噪声并消除共模振荡器漂移。
• Rb/Cs 比较的相对频率不稳定度受量子投影噪声限制，经数天平均后达到 $ 2 \times 10^{-16} $ 的分辨率。
• 通过拟合长期数据序列确定 Rb/Cs 频率比的时间变化，其不确定度在噪声底限之后主要由系统效应主导。
• 采用全局最小二乘拟合方法，结合多个钟比较的结果，以约束 $\alpha$、$\mu$ 和 $m_q/\Lambda_{\text{QCD}}$ 在时间和引力势中的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 Rb/Cs 超精细频率比的时间变化的最严格实验室限制是什么？
• RQ2 Rb/Cs 频率比对引力势的敏感度如何？其差分引力红移依赖性的首个实验约束是什么？
• RQ3 测得的频率比变化在多大程度上约束了精细结构常数 $\alpha$ 和电子-质子质量比 $\mu$ 的时间变化？
• RQ4 本 Rb/Cs 比较的结果如何在基本常数变化的全局分析中，帮助分离 $\mu$ 与 $m_q/\Lambda_{\text{QCD}}$ 的贡献？
• RQ5 基于包含本实验的全局分析，基本常数与引力耦合的更新约束是什么？

主要发现

• Rb/Cs 频率比的时间变化测量结果为 $ d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dt = (-1.39 \pm 0.91) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $，相比先前最佳结果提升7.7倍。
• 首次实验测得 Rb/Cs 频率比对引力势依赖性的限制为 $ c^2 d\ln(\nu_{\text{Rb}}/\nu_{\text{Cs}})/dU = (0.11 \pm 1.04) \times 10^{-6} $，提供了严格的差分引力红移检验。
• 对精细结构常数时间变化的约束为 $ d\ln\alpha/dt = (-0.25 \pm 0.26) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $，与无变化一致。
• 电子-质子质量比 $\mu = m_e/m_p$ 的约束为 $ d\ln\mu/dt = (1.5 \pm 3.0) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $，未发现变化迹象。
• 对比值 $ m_q/\Lambda_{\text{QCD}} $ 的约束为 $ d\ln(m_q/\Lambda_{\text{QCD}})/dt = (71 \pm 44) \times 10^{-16}\ \text{yr}^{-1} $，表明无显著时间变化。
• 电子与 $\Lambda_{\text{QCD}}$ 比值 $ m_e/\Lambda_{\text{QCD}} $ 与引力的耦合被测得为 $ c^2 d\ln(m_e/\Lambda_{\text{QCD}})/dU = (-4 \pm 17) \times 10^{-6} $，与零一致。