A Michelson-Morley test of Lorentz invariance using a rotating optical cavity [Elektronische Ressource] / von Sven Herrmann

Herrmann Sven

Description

A Michelson-Morley Test of Lorentz InvarianceUsing a Rotating Optical CavityDISSERTATIONzur Erlangung des akademischen Gradesdoctor rerum naturalium(Dr. rer. nat.)im Fach Physikeingereicht an derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät IHumboldt-Universität zu BerlinvonHerr Dipl.-Phys. Sven Herrmanngeboren am 06.02.1975 in SpaichingenPräsident der Humboldt-Universität zu Berlin:Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph MarkschiesDekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:Prof. Dr. Christian LimbergGutachter:1. Prof. Achim Peters, PhD2. Prof. Dr. Fritz Riehle3. Prof. John L. Halleingereicht am: 24. Oktober 2006Tag der mündlichen Prüfung: 12. März 2007AbstractThis thesis presents a modern Michelson-Morley experiment, which providesimproved limits on test parameters that model a violation of Lorentz invari-ance in electrodynamics. The measurement thereby sets an upper limit on−16an anisotropy of the speed of light at a level of Δc/c∼ 10 .The experiment compares the resonance frequencies of two optical high-finesse cavities, one of them continuously rotating on a turntable. To readout their resonance frequencies, two Nd:YAG lasers are frequency-stabilizedto these cavities. On the timescale of a turntable rotation (∼ 45s), a relative−14frequency stability of∼ 1×10 is achieved, limited by thermal noise of thecavity mirrors.

Sujets

• Physik

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 20
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

AMichelson-MorleyTestofLorentzInvariance
UsingaRotatingOpticalCavity

TIONATDISSER

zurErlangungdesakademischenGrades
doctor(Dr.rerumrer.nat.)naturalium
imFachPhysik

eingereicderanthMathematisch-NaturwissenschaftlichenFakultätI
Humboldt-UniversitätzuBerlin

onvHerrDipl.-Phys.SvenHerrmann
geborenam06.02.1975inSpaichingen

PräsidentderHumboldt-UniversitätzuBerlin:
Prof.Dr.Dr.h.c.ChristophMarkschies
DekanderMathematisch-NaturwissenschaftlichenFakultätI:
Prof.Dr.ChristianLimberg
r:tehGutac

1.Prof.AchimPeters,PhD
2.Prof.Dr.FritzRiehle
HallL.JohnProf.3.

theingereicam:TagdermündlichenPrüfung:

24.12.MärzOktober20072006

Abstract

ThisimprovethesisdlimitspresenontsatestmodernparametersMicthathelson-Morleymodelaexpviolationerimenoft,whicLorenhtzproinvvidesari-
ananceinanisotropelectroyofthedynamics.speedofThelightmeasureatalevmeneltoftherebΔc/cy∼sets10−an16.upperlimiton
Thefinesseexpcaerimenvities,toneofcomparesthemthecontinresonanceuouslyrotatingfrequenciesonaoftturnwotable.opticalTohigh-read
outtheirresonancefrequencies,twoNd:YAGlasersarefrequency-stabilized
tofrequencythesecavities.stabilityOnoft∼he1×10timescale−14isofacahievturned,tablelimitedrotationby(∼thermal45s),noiseaofrelativthee
mirrors.yvitcaAntatingcaanisotropicvity’sresonancepropagationattofwicelightthewturouldntablecausearotationmorate,dulationofadditionallythero-
moapplieddulatedhere,bytoEarth’sderivesucrotationhanandanisotroporbitalyrevsignalolution.asaTwotestconsequencetheoriesofaarevi-
olationstandard-moofLorendeloftzinvparticleariance.physics,ThesebasedtestonwtheoriesorkbyareV.A.anKostelecextensionkýofetal.the,
andakinematicformalismbyH.P.Robertson,R.MansouriandR.U.Sexl.
mentsPreviouslywereassevwerelyellasaffectedsimbyultaneouslysystematicperformedeffectsMicarisingfromhelson-Morleytheexprotationeri-
ofwithinthethesetuponpresenatturnexptable.erimentSevaseralwell.systematicTheseeffectssystematicshavearebeendescribidenedtifiedin
aticdetail,signaltogetheramplitudeswiththebelowmeasures1Hz.thatThishaisveabeenreductiontakenbtoyupsuppresstoafactorsystem-of
100Duringasthecomparedcoursetoofoneprecedingyear,e27xperimenfrequencyts.comparisonsoftherotatingwith
ofthecontinnon-rotatinguouscameasuremenvityhat.veInbeentotal,ptheerformed,measuremeeachntspanningincludes24∼h10to5100rota-h
tions.Ananalysisofthisdatawithinthetwotestmodelsispresentedand
limitsanisotroponytheoftherelevspanteedtestoflightparametersatalevareelofdeduce10−16d.,Twhichesehisalimitsfactorrestrictoftenan
FmoreurtherstringenimprotvasedlimitscomparedonatoresultsviolationofofpreviousLorentzsucinvhariancemeasuremenmightts.beob-

tainedwithinthenearfuture.Animprovedsetupwithnewcavities,that
exhibitlowerthermalnoise,andfirstdatafromthissetuparealreadypre-
sentedhere.Therelativefrequencystabilityhasbeenenhancedto2×10−15
atthetimescaleofaturntablerotation.Thisopensthedoortoanotherorder
ofmeasuremenmagnitudetimproaimingvforementtheofΔthec/cexp∼10−erimen17levt’selofsensitivitaccuracyy.withinalong-term

ords:Keywprecisionexperiments,Lorentz

ariance,vin

iii

ecialsp

relativitmetrology,y

Zusammenfassung

DieseArbeitpräsentierteinmodernesMichelson-MorleyExperiment,wel-
chesgenauereGrenzwertefürTestparameterliefert,dieeinehypothetische
VerletzungderLorentzinvarianzmodellieren.DieMessungsetzteinenobe-
renGrenzwertfüreineAnisotropiederLichtgeschwindigkeitimBereichvon
Δc/c∼10−16.
DashierbeschriebeneExperimentvergleichtdieFrequenzenzweieroptischer
Hoch-FinesseResonatoren,wobeieinerdieserResonatorenkontinuierlichauf
einemDrehtischrotiert.UmdieEigenfrequenzenderResonatorenabzufra-
gen,werdendieFrequenzenzweierNd:YAG-LaseraktivaufdieResonatoren
stabilisiert.DiedabeierreichterelativeFrequenzstabilitätaufderZeitskala
einerTischdrehung(∼45s)liegtbei∼1×10−14,limitiertdurchdasther-
mischeRauschenderResonatorspiegel.
DurcheineAnisotropiederLichtgeschwindigkeitwürdesicheineModulation
derEigenfrequenzdesaufdemDrehtischrotierendenResonatorsergeben,
zusätzlichmoduliertdurchdieErddrehungunddenErdorbit.Umeinderar-
tigesSignalimRahmeneinerVerletzungderLorentzinvarianzzumodellie-
ren,wurdenzweiverschiedeneTesttheorienherangezogen.Diesesindeinedie
LorentzinvarianzexplizitverletzendeErweiterungdesStandardmodellsder
Teilchenphysik,basierendaufArbeitenvonV.A.Kosteleckýetal.,sowieein
kinematischerFormalismus,welcheraufArbeitenvonH.P.Robertsonsowie
R.MansouriundR.U.Sexlfußt.
SowohlvorangegangenealsauchparalleldurchgeführtederartigeExperimen-
tewareninihrerGenauigkeitdurchsystematischeEffektelimitiert,diemit
derDrehungdesExperimentsaufeinemDrehtischeinhergehen.Verschiedene
derartigesystematischeEffektewurdenauchindiesemExperimentidentifi-
ziert.DiesesystematischenEffekteunddieUnterdrückungentsprechender
Signalamplitudenaufunter1HzsindimDetaildargestellt.ImVergleichzu
vorhergehendenMessungenkonntenderartigeEffekteumbiszueinemFak-
tor100reduziertwerden.
Insgesamtwurden27DatensätzeeinesFrequenzvergleichsdesrotierenden
mitdemnichtrotierendenResonatoraufgenommen,welchesichjeweilsüber
24hbis100herstrecken.Dabeigingenmehrals105Tischumdrehungenin
ein.tmessungGesamdieEswirdeineAnalysedieserDatenimRahmenbeiderTesttheorienpräsen-
tiert,undGrenzwerteaufdierelevantenParameterwerdenbestimmt.Diese
GrenzwerteschränkeneineAnisotropiederLichtgeschwindigkeitimBereich
von10−16ein,d.h.etwa10malgenaueralsdieErgebnissevorangegangener
Messungen.

AufdieserGrundlagesolltesichinnächsterZukunfteineweiteredeutliche
SteigerungderMessgenauigkeiterzielenlassen.DerAufbaueinesverbes-
sertenthermischenderartigenRauscExphenzumeriments,Einsatzwelchesbringt,neuesowieersteResonatorenverbmitessertegeringeremResulta-
teTiscwhdreherdenunghierbgemitteltereitskpräsenonnteatiert.uf2Die×10−relativ15veerbFessertwrequenzstabilitäterden.Damitübersteheinet
derWegoffenfüreineweitereLangzeit-Messung,welchedieGrenzefüreine
AnisotropiederLichtgeschwindigkeitbisindenBereichvonΔc/c∼10−17
wird.nekdrüc

örter:hlagwScPräzisionsexperimente,Lorentzinvarianz,SpezielleRelativitätsteorie,
Metrologie

v

vi

tstenCon

1ductiontroIn11.1PuttingLorentzinvariancetothetest..............1
1.2ModernMichelson-Morleyexperiments.............2
1.3Outlineofthisthesis.......................6

2TesttheoriesforaviolationofLorentzinvariance7
2.1PossibleoriginsofaviolationofLorentzinvariance......8
2.2Standard-modelextension(SME)................11
2.2.1PhotonicsectoroftheSME...............11
2.2.2MattersectoroftheSME................18
2.3TesttheoryofRobertson,MansouriandSexl(RMS).....19

33.1SignalsTheofMicaviolationhelson-MorleyofexpLorenerimentzintvinthearianceSMEframework...2423
3.1.1theCavityphotonicresonancesector..frequency....with...Lo.ren.tz....violation...in..24
3.1.33.1.2FCavitrequencyyresonancecomparisonfrequencyofarowithtatingLotorenatzstationaryviolationcainvity25
3.2TheMicthehelson-Morleyelectronicseexpctorerimen..t..in.the...RMS...fra..mew..ork.......3129

35setupThe44.1Thecavities............................35
4.1.1Fabry-Pérotresonators..................35
4.1.2Propertiesoftheappliedcavities............38
4.1.3Mountingofthecavities.................39
4.2Laserfrequencystabilizationsetup...............41
4.2.1TheNd:YAGlasers....................43
4.2.2Opticssetup........................43
4.2.3Free-runningfrequencystability.............45
4.2.4Basicsofacontrolloopforlaserfrequencystabilization46

vii

5

6

4.2.5Pound-Drever-Hallfrequencydiscrimination......49
4.2.6Loopfilterandfrequencytransducers..........52
4.2.7Beatfrequencymeasurement...............52
4.3RelativefrequencystabilityofR1andR2............53
4.4Limitations............................57
4.4.1Short-termstability....................57
4.4.2Flickernoise........................63
4.4.3Frequencydrift......................69
4.5Activerotationofthesetup...................72
4.5.1Theturntable.......................72
4.5.2Setupontheturntable..................73
4.6Beatfrequencymeasurementswitharotatingsetup......76
4.6.1Optimumtablerotationrate...............76
4.6.2Measurementprocedure.................77
4.6.3Systematiceffectsarisingfromtablerotation......77
83effectsSystematic5.1Rotationaxistilt.........................83
5.1.1Model...........................83
5.1.2Activecontrolofrotationaxistilt............86
5.1.3Axialrunout........................92
5.2Centrifugalforces.........................94
5.2.1Model...........................94
5.2.2Activestabilizationofrotationrate...........95
5.3Electromagneticinterference...................98
5.4Temperaturegradients......................100
5.5Modulationoferrorsignalamplitudeandoffset........102
5.6Failureofcountersynchronization................106
5.7Earth’smagneticfield......................107
5.8Summary.............................107
111resultsandAnalysis6.1Courseofthemeasurement....................111
6.2Dataofasinglecontinuousmeasurement............112
6.3SME-analysis...........................116
6.3.1Fitprocedure.......................116
6.3.2Resultsobtainedfromthecompletedata........125
6.3.3Resultsobtainedfromasubsetofthedata.......126
6.4RMS-analysis...........................128
6.5Comparisontoresultsofsimilarexperiments.......