Dokument: A precision test of Lorentz Invariance using room-temperature high-finesse optical resonators
| Titel: | A precision test of Lorentz Invariance using room-temperature high-finesse optical resonators | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=13395 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20091124-103640-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dipl.-Phys. Eisele, Christian [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Schiller, Stephan [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Görlitz, Axel [Gutachter] Prof. Tino, Guglielmo [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Lorentz Invariance, Special Relativity, Test, Resonators | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurde eine Apparatur für die Überprüfung einer Grundaussage der Speziellen Relativitätstheorie, der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit, entwickelt. Abweichungen von der Isotropie bedeuten eine Verletzung der Lorentz Invarianz, eine von allen etablierten Theorien der Grundkräfte angenommenen Symmetrie, und würden auf Physik jenseits der derzeit gültigen Theorien, der Allgemeinen Relativitätstheorie und des Standardmodells der Teilchenphysik, hindeuten. Theoretiker versuchen seit langem alle Naturkräfte in einer einheitlichen Theorie zu vereinigen,
was bisher trotz vielversprechender Ansätze (String-Theorien, loop quantum gravity, et cetera) nicht vollständig gelungen ist. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass die Invarianz unter Lorentz-Transformationen keine exakte Symmetrie darstellen sollte und geringfügige Abweichungen zu erwarten sind. Dies stellt eine starke Motivation für hochpräzise Tests der Lorentz-Invarianz dar, wie den in dieser Arbeit präsentierten. Erstmalig werden in diesem Aufbau monolithische optische Resonatoren aus einer Glaskeramik mit extrem niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ULE) verwendet, um die Isotropie zu testen. Mit Hilfe eines monolitischen Nd:YAG Lasers (λ = 1064nm) werden die Resonanzfrequenzen von zwei orthogonal orientierten Resonatoren abgefragt und miteinander verglichen. Der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient reduziert den Einfluss von Temperaturschwankungen auf die Resonanzfrequenzen, die nur vom Abstand der Spiegel und der Geschwindigkeit des Lichts in den Resonatoren abhängen. Um eine möglichst hohe Stabilität der Resonanzfrequenzen auf kurzen Zeitskalen zu erreichen wurde der gesamte optische Aufbau auf einer aktiven Vibrationsisolierung gelagert, die mechanische Vibrationen stark dämpft. Diese Technik wird erstmalig in einem Experiment zum Test der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit eingesetzt. Desweiteren wurde eine auf elektromagnetischen Aktuatoren basierende Stabilisierung der Neigung der Trägerplatte implementiert. Diese ist nötig, da eine Neigung der Resonatoren gegenüber der lokalen Richtung der Gravitation die Resonanzfrequenzen verschiebt. Desweiteren wurden Regelsysteme für die Stabilisierung der in den Resonatoren umlaufenden Leistung und der Temperatur des Aufbaus implementiert. Der gesamte Aufbau kann mit Hilfe eines luftgelagerten Rotationstisches aktiv rotiert werden. Dies ermöglicht eine deutlich erhöhte Datenaufnahmerate im Vergleich zu stationären Aufbauten, was zu einer raschen Reduktion statistischer Fehler führt. Desweiteren sinken die Anforderungen an die Langzeitstabilität des Systemes. Eine sehr hohe Frequenzstabilität ist auf der Zeitskala einer halben Rotation gefordert, was bei stationären Systemen hohe Stabilität über 12 Stunden, hier nur über 45 Sekunden erfordert. Mit dem beschriebenen Aufbau wurden zwischen März 2008 und April 2009 wiederholt Messungen durchgeführt, so dass insgesamt ca. 135 000 Rotationen verteilt über diese Zeit zur Analyse verwendet werden konnten. Diese Daten wurden im Rahmen von zwei verschiedenen Test-Theorien analysiert, der Robertson-Mansouri-Sexl Theorie (RMS) und der sogenannten Standard Model Extension (SME). In der RMS Theorie beschreibt ein Parameter, (δ−β+1/2), eine mögliche Anisotropie. Wir konnten mit (δ −β +1/2) ≤ 8 · 10−12 eine obere Grenze für diesen Parameter bestimmen, die mehr als eine Größenordnung unter den bisher besten Resultaten liegt und eine mögliche Anisotropie auf 1/2 |δc(π/2)/c| ≤ 6 · 10−18 einschränkt (1σ). Im Rahmen der SME konnten mit dem hier vorgestellten Experiment acht Parameter der Theorie bestimmt werden, die Verletzungen der Lorentz-Invarianz für Photonen beschreiben. Obere Grenzen für diese Parameter konnten für alle Parameter gegenüber dem Vorgänger- Experiment und den Werten anderer Gruppen deutlich verbessert werden.Teile der Arbeit wurden bereits in Optics Communications veröffentlicht: Ch. Eisele, M. Okhapkin, A. Yu. Nevsky and S. Schiller, Optics Communications 281, 1189 (2008). Die finalen Resultate der Arbeit wurden in Physical Review Letters publiziert: Ch. Eisele, A. Yu. Nevsky, and S. Schiller, Physical Review Letters 103, 090401 (2009).An apparatus for a test of a basic postulate of the theory of Special Relativity, the isotropy of the speed of light, has been developed. Deviations from the isotropy imply a violation of Lorentz invariance, a symmetry assumed by all established theories of the fundamental forces. Such a signal may provide a glimpse on physics beyond our current theories of the fundamental forces, the General Theory of Relativity and the Standard Modell of particle physics. Since long theoreticians try to unify General Relativity and the Standard Modell within one theory, a grand unified theory (GUT). So far they did not succeed, although promising candidate theories have been developed, e.g. string theories or loop quantum gravity. However, there are hints that Lorentz invariance might not be an exact symmetry of nature, but that deviations are to be expected. This is a strong motivation for tests of Lorentz invariance with increased sensitivity as the one presented within this thesis. We employ, for the first time for a test of the isotropy of the speed of light, monolithic optical resonators fabricated from a glass ceramic with ultra low expansion coefficient (ULE). By means of a monolithic Nd:YAG-laser (λ = 1064 nm) we measure the difference between the resonance frequencies of two orthogonally oriented resonators. The low thermal expansion coefficient reduces the influence of thermal fluctuations on the resonance frequencies, which are a function of the mirror spacing and the speed of light inside the resonators only. The complete optical setup has been put on top of active vibration isolation supports, which strongly damp mechanical vibrations. This improves the short-time stability of the resonators’ resonance frequencies. This technique is used for the first time in a Speed of Light Isotropy Test (SLIT) experiment. Furthermore, a system for the stabilization of the tilt of the optics breadboard is implemented, based on electromagnetic actuators. This stabilization is necessary, since a tilt of the resonators with respect to the local direction of gravitation leads to a shift of the resonance frequencies. Finally, servo systems have been implemented to stabilize the optical power circulating in the resonators and the temperature of the setup. The complete experiment can be actively rotated by means of an high precision air bearing rotation table, which allows for a considerable increase of the rate of data taking as compared to a stationary system. This allows for a comparatively fast reduction of statistical errors. Another advantage of the active rotation is the relaxation of stability demands for long timescales. A high frequency stability is needed on a timescale of half a rotation, here ≈ 45 s, while for stationary systems it would be 12 hours since one has to rely on the rotation of the earth. With the setup just described we have performed measurements between march 2008 and may 2009 yielding ≈ 135000 rotations distributed over the entire timespan. This data was analyzed according to two different test theories, the Robertson-Mansouri-Sexl theory (RMS) and the Standard Modell extension (SME). Within the RMS theory a single parameter combination (δ − β + 1/2) describes a possible anisotropy. For an isotropic speed of light it equals zero. We determined an upper limit of (δ−β +1/2) ≤ 8 · 10−12 corresponding to a relative anisotropy of the speed of light below 1/2 |δc(π/2)/c| ≤ 6 · 10−18 (1σ bounds). This value is more than one order of magnitude smaller than the values published so far. Within the framework of the SME we could determine 8 parameters describing a possible violation of the Lorentz invariance by photons. Upper limits for these parameters could be improved considerably compared to the experimental predecessor of the setup and to the values determined by other groups. Parts of this thesis have already been published in Optics Communications: Ch. Eisele, M. Okhapkin, A. Yu. Nevsky and S. Schiller, Optics Communications 281, 1189 (2008). The final results have been published in Physical Review Letters: Ch. Eisele, A. Yu. Nevsky, and S. Schiller, Physical Review Letters 103, 090401 (2009). | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Experimentalphysik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 24.11.2009 | |||||||
| Dateien geändert am: | 12.11.2009 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 27.08.2009 | |||||||
| Datum der Promotion: | 28.10.2009 |
