Test of Lorentz symmetry with a _1hn3He, _1hn1_1hn2_1hn9Xe clock-comparison experiment [Elektronische Ressource] / Claudia Gemmel

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

Test of Lorentz
3 129Symmetry with a He/ Xe
Clock-Comparison Experiment
Dissertation
zur Erlangung des Grades
\Doktor der Naturwissenschaften"
am Fachbereich Physik, Mathematik und Informatik
der Johannes Gutenberg-Universit at
in Mainz
Claudia Gemmel
geboren in Idar-Oberstein
Mainz, November 2010Datum der mund lichen Prufung: 28.01.2011
D77
2Fur meine Eltern
Falls Gott die Welt gescha en hat, war
seine Hauptsorge sicher nicht, sie so zu
machen, dass wir sie verstehen k onnen.
(Albert Einstein)Zusammenfassung
Die minimale Standard Modell Erweiterung (SME) von Kostelecky und Mitarbeitern, die
die allgemeine Behandlung von CPT- und Lorentz-Invarianz-Verletzungen parametrisiert,
prognostiziert siderische Modulationen von atomaren Ubergangsfrequenzen aufgrund der
Drehung der Erde relativ zu einem Lorentz-verletzenden Hintergrundfeld. Eine Methode zur
Suche nach diesen Modulationen ist das sogenannte Uhrenvergleichsexperiment, bei dem die
Frequenzen zweier Uhren verglichen werden, die sich relativ zum Fixsternhimmel bewegen.
3In dieser Arbeit wird ein Experiment vorgestellt, bei dem polarisierte Proben von He und
129Xe Gas in einer Glaszelle als Uhren fungieren, deren Kernspinpr azessions-Frequenzen
mit Hilfe von hochemp ndlichen SQUID-Sensoren detektiert werden. Die Besonderheit
dieses Experimentes ist die Tatsache, dass die Spins frei pr azedieren, mit transversalen
129 3Relaxationszeiten T von bis zu 4.4 h fur Xe und 14.1 h fur He.2
Um auf Lorentz-verletzende E ekte emp ndlich zu sein, wird der Ein uss von au eren Mag-
henetfeldern aufgehoben durch Bildung der gewichteten Phasendi erenz = .xehe xe
n n~ ~Die Lorentz-verletzenden SME-Parameter des Neutrons, b und b , werden aus einemX Y
2 -Fit an die Phasendi erenz-Daten von 7 Spinpr azessions-Messungen mit einer L ange
von 12 bis 16 Stunden ermittelt. Die abschnittsweise de nierte Fitfunktion enth alt einen
Sinus- und einen Kosinus-Term zur Parametrisierung der siderischen Modulation, sowie 7
O set-Terme, 7 lineare Terme und 7 2 mit T und T abfallende exponentielle Terme,2;xe2;he
die den jeweiligen Einzelmessungen zugeordnet sind. Der lineare Term in der gewichteten
Phasendi erenz ist im Wesentlichen auf Abweichungen der gyromagnetischen Verh altnisse
von ihren Literaturwerten aufgrund von chemischen Verschiebungen zuruc kzufuhren,
w ahrend die exponentiellen Terme von Phasenverschiebungen herruhren, die durch Ent-
magnetisierungsfelder in der nicht ideal sph arischen Messzelle bedingt sind.
q
2 n n n~ ~ 2 ~ 2Die aus dem -Fit ermittelte Grenze fur den Parameter b = (b ) + (b ) ist? X Y
323:710 GeV, bei einem Kon denzniveau von 95%. Dieser Wert ist nicht durch das Signal-
Rausch-Verh altnis limitiert, sondern durch die starken Korrelationen zwischen den Fitpa-
rametern, die durch eine stuc kweise ahnliche Zeitstruktur der gewichteten Phasendi erenz
und der siderischen Phasenmodulation im Fitmodell bedingt sind. Um die Korrelationen zu
reduzieren und damit die Sensitivit at von zukunftigen Experimenten zu erh ohen, muss die
Zeitstruktur der gewichteten Phasendi erenz ge andert werden, was durch eine Erh ohung
129der Xe Relaxationszeit realisiert werden kann. Neben der Reduzierung der Korrelationen
wurde dies auch zu angerenl Messzeiten und damit zu einer zus atzlichen Steigerung der
Sensitivit at fuhren.Abstract
The minimal Standard Model Extension (SME) of Kostelecky and coworkers, which
parametrizes the general treatment of CPT- and Lorentz invariance violation, predicts
sidereal modulations of atomic transition frequencies as the Earth rotates relative to a
Lorentz-violating background eld. One method to search for these modulations is the
so-called clock-comparison experiment, where the frequencies of co-located clocks are
compared as they rotate with respect to the xed stars. In this work an experiment is
3 129presented where polarized He and Xe gas samples in a glass cell serve as clocks, whose
nuclear spin precession frequencies are detected with the help of highly sensitive SQUID
sensors inside a magnetically shielded room. The unique feature of this experiment is the
fact that the spins are precessing freely, with transverse relaxation times T of up to 4.4 h2
129 3for Xe and 14.1 h for He.
To be sensitive to Lorentz-violating e ects, the in uence of external magnetic elds is
3 129 hecanceled via the weighted He/ Xe phase di erence, = . The Lorentz-xehe xe
n n 2~ ~violating SME parameters for the neutron, b and b , are determined out of a t onX Y
the phase di erence data of 7 spin precession measurements of 12 to 16 hours length.
The piecewise de ned t model contains a sine and a cosine term to describe the sidereal
modulation, as well as 7 o set terms, 7 linear terms and 7 2 exponential terms decreasing
with T and T , which are assigned to the respective measurement. The linear term2;xe2;he
in the weighted phase di erence mainly arises from deviations of the gyromagnetic ratios
from their literature values due to chemical shifts, while the exponential terms re ect
the phase shifts resulting from demagnetization elds in the non-ideally spherical sample cell.
q
2 n n n 32~ ~ 2 ~ 2The result of the t constrains the parameter b = (b ) + (b ) to be< 3:710 GeV? X Y
at the 95% con dence level. This value is not limited by the signal-to-noise ratio, but by the
strong correlations between the t parameters, which are caused by a piecewise similar time
structure of the weighted phase di erence and the sidereal phase modulation in the t model.
To reduce the correlations and therewith improve the sensitivity of future experiments, it
will be necessary to change the time structure of the weighted phase di erence, which can be
129realized by increasing the Xe relaxation time. Besides the reduction of the correlations,
this would also lead to longer observation times and therewith an additional increase in
sensitivity.Contents
1 Introduction: Beyond the Standard Model 1
1.1 The minimal Standard Model Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 The Cosmic Microwave Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Experimental searches for Lorentz violation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 1291.3.1 He/ Xe maser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
31.3.2 K- He Clock-comparison experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 Spin polarized torsion pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Theory of spin precession 19
2.1 Spins in a magnetic eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Hyperpolarization through optical pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Metastability exchange optical pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2 Spin exchange optical pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Bloch equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Magnetic eld produced by spin-polarized atoms . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1 Longitudinal Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.2 Transverse Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
33 Spin precession of He: Experiment and results 35
3.1 Preparation of the measurement cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Experimental realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 The measurement procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Sensitivity estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Clock-comparison experiments 46
4.1 Experimental realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1 Magnetic eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.2 Filling system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.3 Transport of the polarized gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.4 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Raw data ts, transverse relaxation, phase determination . . . . . . . . . . . 564.2.1 Piecewise tting of raw data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.2 Chi-square distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.3 Raw data residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.4 Transverse relaxation time and eld gradients . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.5 Phase determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Weighted phase di erence and phase shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3.1 Contribution of the Earth’s rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.2 Gyromagnetic ratios and Chemical shift . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.3 Ramsey-Bloch-Siegert (RBS) shift due to demagnetization elds . . . 75
4.3.4 Field gradient induced shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.5 Other phase shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.6 Phase residuals . . . . . . . . . . . .