Н. Колачевский, А. Матвеев, Я. Алнис, К. Партей, Т.В. Хэнш
DESCRIPTION
Поиск дрейфа постоянной тонкой структуры в лаборатории. Н. Колачевский, А. Матвеев, Я. Алнис, К. Партей, Т.В. Хэнш Институт Макса-Планка по квантовой оптике (Гархинг). 2003 год…. Лабораторные измерения частот. частотные цепочки. фемтосек. “ гребенка ”. Группа Т.В. Хэнша. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
Н. Колачевский, А. Матвеев, Я. Алнис, К. Партей, Т.В. Хэнш
Институт Макса-Планка по квантовой оптике (Гархинг)
Поиск дрейфа постоянной тонкой структуры в лаборатории
2
2003 год…
3
Лабораторные измерения Лабораторные измерения частотчастот10
9
10 10
10 11
10 12
10 13
10 14
10 15
10 16
1950 1960
год
погр
еш
ност
ь
1970
C s ф онтан
переопределениесекунды
1980 1990 2000 2010
C s (Э ссен) H e-N e лазер , стаб. по иоду
H
C aH
HH g , Y b+ +
Sr+
H g +
H g + и A l+
10 17
частотныецепочки
фемтосек.“гребенка”
4
Группа Т.В. Хэнша
Т.В. ХэншВодород 1S-
2S
Оптическая гребенка+ Менло Системс
5
Фундаментальные константы
7
Ур-е Шредингера:Ур-е Шредингера в атомных единицах:
Атомные единицы нет параметров в теории!
Необходимо подобрать параметр так,чтобы удовлетворить наблюдениям
Ур-е Дирака в атомных единицах:
Фундаментальные константы в квантовой механике
8
Параметры свидетельствуют о нашем неведении.
В стандартной модели их 18 штук.
Роль параметров в теории
9
Насколько “фундаментальные
константы” есть константы
10
Фундаментальные константы
- Почему у них именно такие значения?
- Не вычисляются Стандартная модель неполна.
-Открывают возможность исследовать явления за рамкам и стандартной модели
Dirac 1937: Возраст Вселенной в атомных единицах/электромагнитная сила между протоном и электроном в
единицах гравитационного взаимодействия есть малая величина (Дирак полагал 3 в 1937).
Любая „константа“ может меняться во времени.
1212
Эволюция ВселеннойЭволюция Вселенной
13
Поиск дрейфаПоиск дрейфа
t1t 2t
1( )t 2( )t - высокостабильная величина (безразмерная)
например,отношение сечений
масс, частот1 2( , ,...) зависит от набора
фундаментальных параметров
2 1
2 1
( ) ( )t t
t t
i
t
модельмодель
14
Поиск дрейфаПоиск дрейфа
t1t 2t
1( )t 2( )t - высокостабильная величина (безразмерная)
например,отношение сечений
масс, частот1 2( , ,...) зависит от набора
фундаментальных параметров
14
D.Hanneke et al., PRL 100, 120801 (2008)
величина известна с точностью 410-10 11 1
40
10 год
лет
Чувствительность к дрейфу гораздо выше
1710
15
Поиск дрейфа в астрофизике и лаборатории
17
Результаты Результаты Keck/HIRESKeck/HIRES
5( 0.57 0.1) 10
J.K. Webb et al., Phys. Rev. Lett. 87, 091301 (2001)
15 10.5 10 yr
время [109 год]
[10-5
]
Keck / HIRES (72 системы):
MgI, FeI, NiI, MgII, CrII, etc.
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
-2 -4 -6 -8 -10 -12
- many-multiplet
- H I H/ 2
18
Более современный анализ
• Murphy et al, 2003: Keck, 143 системы, 23 линии, 0.2<z<4.2
x
• Quast et al, 2004: VLT, 1 система, Fe II, 6 линий, z=1.15
x
• Srianand et al, 2004: VLT, 23 систем, 12 линий, Fe II, Mg I, Si II, Al II, 0.4<z<2.3
x
19
Атомные спектрыАтомные спектры
1/ 2S
1/ 2P
3/ 2PТонкая
оптические
Переход Масштаб
Оптические
Тонкая структура
Сверхтонкая
структура
Ry
2Ry2
nucl B Ry
1emission
today
z
тонкая оптические
~ 2
M.P. Savedoff, Nature, 178, 689 (1956)
сверхтонкие
20
Сравнение методовСравнение методов
Б ольш ой взры в
13. 6 Ггод
t
(О кл о)
81 0 ~
(м ного-м ультиплет)
61 0 ~1 01 0 y rT ~
1610 <
10 год T ~
21
Высокая чувствительность к дрейфу(< 1016)
короткие интервалы времени (~10 лет)
Воспроизводимость, множество объектов исследования
Простой анализ результатов
Слабая зависимость от модели
Лабораторные Лабораторные экспериментыэксперименты
22
Измерение абсолютной Измерение абсолютной частотычастоты
HFS HFS вв 133133Cs (Cs (секунда СИсекунда СИ))
Узкий атомный резонансУзкий атомный резонанс
РезонаторРезонатор
Оптическая гребенкаОптическая гребенка
ЛазерЛазер
23
1S-2S 1S-2S переход в атомном переход в атомном водородеводороде
2S1 /2
1S1 /2
L1S
L 2S
F = 1
F = 0
F = 1
F = 0
243 nm
243 nm
B
H F S (1S )
H F S (2S )
Frequency o f the hyperfine centro id o f the 1S -2S transition in a tom ichydrogen:
f 2 466 061 413 187 103(46) H z
N atura l linew id th : 1 .3 H z
M . N iering e t a l., PR L , 5496 (2000)
84
=
24
Метрология оптических частот
25
Лазер с пассивной синхронизацией мод
1n = n1r + 1CE при 1CE 1r
26
Счетчик оптических циклов
1n = n1r + 1CE
Привязка к Cs часам
Каждая мода может использоватьсяДля измерения оптических частот
миллион стабилизированных лазеров
в одном пучке!
27
Преобразование частот
I(1)
1
радиочастотаили
оптическая частота
радиочастотаили
оптическая частота
1n = n1r +1CEоптические частоты
привязка к Cs
радио частота оптическая частота
Science 293, 825 (2001)
1n = n1r +1CEвыход часов
привязка к лазеру привязка к 1r
оптическая частота радио частота
1n = n1r +1CEизмерение другого лазера
привязка к лазеру привязка к 1r
оптическая частота оптическая частота
28
Наши инструменты:
29
Сверхстабильные лазеры
стабилизация
Фотодетектор
Осциллограф
972 nm 972 nm
5 6 7 8 9
0 0. 0 5. 1 0. 1 5. 2 0.
-5
0
5
0.5 Hz
Fourier frequency [ z], H
time [s],
Sig
na
l[V
],
Po
wer
sp
ectr
al d
en
sit
y [a
rb.
un
.]
30
Оптические резонаторы
ГоризонтальнаГоризонтальная осья ось
ВертикальнаяВертикальная
осьось
Приближение к пределу теплового шума
32
Спектрометр
33
Оптическая гребенкаОптическая гребенка
rfcef
Лазер
beatf
Первичный стандартПервичный стандарт
34BNM-SYRTE, Observatoire de Paris
lasersRF
computer fountain
d e tec tio nd e tec tio n
o p tica l m o lasse s
o p tica l m o lasse s
R F cav ity
inte
ract
ion
regi
on
m a g n e ticsh ie ld in g s
v acu u mch am b er
Tran
sit
ion
pro
bab
ilit
yTr
ansi
tio
n p
rob
abili
ty
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Detuning [Hz]
-2 -1 0 1 2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
F W H M1.3 H z
controlpoin ts
lockpoin t
Цезиевый фонтанЦезиевый фонтан
35
Сравнение данныхСравнение данных 1999-2003 1999-2003 гг. в водороде гг. в водороде
(2003) (1999)H H
( 29 57) Hz
f f
(1 , 1, 1) (2 , ' 1, ' 1)F FS F m S F m
f 1S2S
- 2
46
6 0
61
10
2 4
70
00
0 [H
z]
da te
4700
4800
4900
5000
5100
ave
rag
e48
70(3
6) H
z
ave
rag
e48
51(2
5) H
z
February 2003June 1999 - July 1999
3.64 years
36
Что измеряется в терминах
фундаментальных констант?
37
Сравнение частот переходовСравнение частот переходов
2 Cs (Cs)(Cs) NHF rS l
Be
gE FRy
( )rpt eloE F ZRy
2CsCs
(ln ln l
Cn ln
ln ( )
s)N
opt B
rel
relF Zf t
Ffg
t t
CsCs
H
- 2 ln ln N
B
fg
t f t
+ 0 0.8
38
Измерения в водороде и Измерения в водороде и дрейфдрейф
15 1CsCs
H
ln ln (3.2 6.4)2.8 10 yr N
B
fg
t f t
ln NCs
B
y gt
lnxt
15 12.8 (3.2 6.4) 10 год y x
дрейф - дрейф магнитного момента
y [1
0-14 y
r-1]
x [10-14 yr-1]-1 0 1
0
5
-5
H
J.D. Prestage et al., Phys. Rev. Lett. 74, 3511 (1995).
X. Calmet, H. Fritzsch,, Eur. Phys. J. 24, 639 (2002).( , )P x y
x [10 -14 yr -1] y [10
-14 yr-1 ]
39
Чувствительность к дрейфу Чувствительность к дрейфу
Z атом Частота перехода [Гц] Чувствительность к дрейфу
1 H 2 466 061 413 187 103 0.00
20 Ca 455 986 240 494 158 0.03
49 In+ 1 267 402 452 899 920 0.21
70 Yb+ 688 358 979 309 312 1.03
80 Hg+ 1 064 721 609 899 143 -3.18
Изменение
Изм
енен
ие ч
асто
ты
Hg+In+
Yb+
H
Ca
H, Ca, In+ нерелятивистские переходы
Hg+, Yb+ наиболее чувствительные переходы
S. Karshenboim, Can.J.Phys. 78, 639 (2000); physics/0306180
41
Модельно-независимая Модельно-независимая оценкаоценка1 68%
ожидания
42
-4
-4-6
-2
-2
0
0
2
2
4
4 6
H (121 нм)
Hg+ (282 нм)
Yb+ (435нм)
MPQ MPQ + NIST+ NIST + PTB+ PTB
15 1( 0.3 2.0) 10 год
Модельно-независимое ограничение
Комбинация лабораторных данных Комбинация лабораторных данных (2003)(2003)
M. Fischer et al., PRL 92, 230802 (2004)
2003:
43
MPQ MPQ + NIST+ NIST + PTB+ PTB
[10
]
-15
-1го
д
199 +Hg
-2 -1 0 1 2
-10
0
10
Cs B
lny
t
=
[10 ]-15 -1годlnxt
=
H171 +Yb
Чувствительность выросла на порядок
Комбинация лабораторных данных Комбинация лабораторных данных (2007)(2007)
16 1( 3 3.5) 10 год
2007:
Hg: T.M.Fortier PRL 98, 070801 (2007) Yb: E.Peik arXiv:physics/0611088 (2006) H: M.Fischer PRL 92, 230802 (2004).
44
H.Fritzsch Physik Journal 2003 Nr.4
Гипотезы о возможной связи констант в ТОГипотезы о возможной связи констант в ТО
45
Связь с гравитацией. Наблюдение за 87Sr часами на
оптических решетках.
JIlA / LNE-SYRTE/Uni TokioS. Blatt et al., PRL 100, 140801 (2008)
46JIlA / LNE-SYRTE/Uni Tokio
S. Blatt et al., PRL 100, 140801 (2008)
4 Гц
8787SrSr
Оптические Оптические решетки на решетки на
нейтральных атомахнейтральных атомах
47JIlA / LNE-SYRTE/Uni Tokio
S. Blatt et al., PRL 100, 140801 (2008)
2
( )U tk
c
6(2.5 3.1) 10k
5( 1.3 1.7) 10k
Движение в меняющемся Движение в меняющемся гравитационном полегравитационном поле
48
Шаг вперед:
исключитьсравнение с Cs
стандартом
49
Измерения в одной атомной системе
(Dy)
BerkeleyA. Cingöz et al., PRL 98, 040801 (2007)
50
Experiments in Experiments in 162162DyDy, , 163163DyDy
Вырожденные уровни с различной Вырожденные уровни с различной чувствительностью к измерениям чувствительностью к измерениям
-15 1( 2.7 2.6) 10 год
A. Cingöz et al., Phys. Rev. Lett. 98, 040801 (2007)
3МГц
163163DyDy
8 8 месяцев измерениймесяцев измерений
(Berkeley)(Berkeley)
-19797.98 см-1
51
В PTB планируются измерения в одиночном ионе Yb+. Будет выполнено сравнение частот переходов.
52
Прямое сравнение двух оптических
частотHg+ и Al+
JIlA / NISTT. Rosenband et al. SCIENCE 319, 1808 (2008)
53JIlA / NIST
T. Rosenband et al. SCIENCE 319, 1808 (2008)
1n = n1r +1CEизмерение другого лазера
привязано к лазеру привязка к 1r
оптика оптика
Отношение частот Отношение частот AlAl++ ии Hg Hg++
17 1( 1.6 2.3) 10 год
54
Магнитный момент ядра Магнитный момент ядра CsCs
T. Rosenband et al. SCIENCE 319, 1808 (2008)
16 1( 1.9 4.0) 10 год
55
Перспективы
56
10 16
10 15
10 17
год
H , H g , Yb+ +
K eck/H IRES
VLT
VLT
H , H g , Yb+ +
H g + и A l+
2002 2004 2006 2008
Чувствительность к линейному Чувствительность к линейному дрейфудрейфу
АстроАстрофизифизи
кака
ЛабораторЛабораторияия
57
Laser Frequency Combs for Astronomical Laser Frequency Combs for Astronomical ObservationsObservations
Image: ESO T. Steinmetz et al, SCIENCE 321, 5894 (2008)
59
Спасибо за внимание!