High-precision test of isotropy of light propagation using actively rotated optical resonators
Final Report Abstract
Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurde eine hochempfindliche Apparatur für die Überprüfung der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit entwickelt. In heutiger, allgemeinerer Betrachtungsweise testet diese Apparatur das Naturgesetz, dass die Ergebnisse von Experimenten unabhängig von ihrer Orientierung im Raum sind, und zwar für einen speziellen physikalischen Effekt: die Resonanzfrequenz eines optischen Resonators. Der Effekt hängt dabei sowohl von der Propagation der Lichtwelle (und damit der Lichtgeschwindigkeit), als auch von der Länge des Resonators ab. Abweichungen von der Isotropie bedeuten eine Verletzung der Lorentz-Invarianz, eine von allen etablierten Theorien der Grundkräfte angenommene und bisher immer wieder bestätigte 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, usw.) nicht gelungen ist. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass die Invarianz unter Lorentz-Transformationen keine exakte Symmetrie darstellen könnte und geringfügige Abweichungen zu erwarten sind. Dies stellt eine starke Motivation für hochpräzise Tests der Lorentz-Invarianz dar, wie z. B. 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 = 1064 nm) 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 Systems. Eine sehr hohe Frequenzstabilität auf der Zeitskala einer halben Rotation hier 45 Sekunden, wurde in der Tat erzielt. 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) Theorie. In der RMS Theorie beschreibt ein Parameter, (δ−β+1/2), eine mögliche Anisotropie. Wir konnten mit |δ − β + ½| ≤ 8x10-12 eine obere Grenze für diesen Parameter bestimmen, die mehr als eine Größenordnung unter den bisher besten Resultaten liegt und eine mögliche Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit auf (1/2) | c(π/2)/c| ≤ 6x10-18 einschränkt (1σ - Fehler). 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 unserem Vorgänger-Experiment und den Werten anderer Gruppen deutlich verbessert werden. Über die Ergebnisse dieser Arbeit wurde in den Medien berichtet.
Publications
- “A crossed cavities apparatus for sensitive tests of the isotropy of the speed of light”. Opt. Comm. 281, 1189-1196 (2008)
C. Eisele, M. Okhapkin, A. Nevsky, S. Schiller
- “A laboratory test of the isotropy of light propagation at the 10-17 level”. Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009)
C. Eisele, A. Yu. Nevsky, S. Schiller
