[论文解读] Proposal for an Optical Test of the Einstein Equivalence Principle

Daniel R. Terno, Guseppe Vallone+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 35被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的双大距离光学干涉测量方案，通过抵消一阶多普勒效应来检验爱因斯坦等效原理（EEP），从而克服传统上掩盖微弱引力红移信号的一阶多普勒效应。该方法利用当前的卫星技术，可在电磁领域实现可行且高精度的EEP检验。

ABSTRACT

The Einstein Equivalence Principle (EEP) underpins all metric theories of gravity. Its key element is the local position invariance of non-gravitational experiments, which entails the gravitational red-shift. Precision measurements of the gravitational red-shift tightly bound violations of the EEP only in the fermionic sector of the Standard Model, however recent developments of satellite optical technologies allow for its investigation in the electromagnetic sector. Proposals exploiting light interferometry traditionally suffer from the first-order Doppler effect, which dominates the weak gravitational signal necessary to test the EEP, making them unfeasible. Here, we propose a novel scheme to test the EEP, which is based on a double large-distance optical interferometric measurement. By manipulating the phase-shifts detected at two locations at different gravitational potentials it is possible to cancel-out the first-order Doppler effect and observe the gravitational red-shift implied by the EEP. We present the detailed analysis of the proposal within the post-Newtonian framework and the simulations of the expected signals obtained by using two realistic satellite orbits. Our proposal to overcome the first-order Doppler effect in optical EEP tests is feasible with current technology.

研究动机与目标

• 为解决长期以来一阶多普勒效应在光学EEP检验中主导微弱引力红移信号的长期挑战。
• 开发一种可行且技术成熟的光学干涉测量方法，用于在电磁领域测试EEP。
• 实现对引力红移的高精度测量，从而约束电磁领域中爱因斯坦等效原理的破坏。
• 通过详细模拟证明，利用当前基于卫星的光学技术可实现EEP的可行性检验。

提出的方法

• 该方法采用两个位于不同引力势能位置的大距离光学干涉仪来测量相位差。
• 通过比较两个具有不同引力势能的点之间的相位差，利用差分测量方法抵消一阶多普勒效应。
• 该方案采用后牛顿框架来建模引力红移和多普勒效应对相位差的贡献。
• 在广义相对论框架下，利用干涉路径长度和频率偏移模型计算相位差。
• 通过使用两个真实的卫星轨道进行模拟，评估信噪比和可检测性。
• 通过利用两个测量点之间多普勒贡献的对称性，实现对引力红移信号的隔离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在一阶多普勒效应主导的光学干涉测量EEP检验中，能否有效抵消一阶多普勒效应？
• RQ2 利用当前卫星光学技术，能否在电磁领域检测到引力红移信号？
• RQ3 实际卫星轨道参数如何影响该干涉测量设置中EEP破坏信号的可检测性？
• RQ4 在后牛顿引力理论下，该双干涉仪配置的预期信号强度和噪声水平如何？
• RQ5 所提出的方案是否具备足够灵敏度，以约束电磁领域中EEP的破坏？

主要发现

• 所提出的双干涉仪方案通过差分相位测量成功抵消了一阶多普勒效应，从而隔离出引力红移信号。
• 使用真实卫星轨道进行的模拟结果表明，引力红移信号在当前技术条件下仍可检测，且高于噪声水平。
• 该方法实现了对电磁领域中爱因斯坦等效原理的高精度检验，解决了以往光学干涉测量方法因多普勒效应主导而失败的问题。
• 后牛顿分析证实，引力红移信号与势能差成比例，且可与多普勒伪影有效区分。
• 该方案被证明可利用现有卫星光学技术实现，为未来高精度EEP检验提供了切实可行的路径。