| Autor(en): |
Sven Herrmann |
Titel: |
A Michelson-Morley test of Lorentz invariance using a rotating optical cavity |
| Gutachter: |
Achim Peters; Fritz Riehle; John L. Hall |
| Erscheinungsdatum: |
07.03.2008 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10088246)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Praezisionsexperimente, Lorentzinvarianz, Spezielle Relativitaetstheorie, Metrologie |
| Schlagwörter (eng): |
precision experiments, Lorentz invariance, special relativity, metrology |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Herrmann, Sven:
A Michelson-Morley test of Lorentz invariance using a rotating optical cavity;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 07.03.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10088246
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| Abstract (ger): |
| Diese Arbeit präsentiert ein modernes Michelson-Morley Experiment,
welches genauere Grenzwerte für Testparameter liefert, die eine
Verletzung der Lorentzinvarianz modellieren. Die
Messung setzt einen oberen Grenzwert für eine Anisotropie der
Lichtgeschwindigkeit im Bereich von dc/c ~10^-16.
Das Experiment vergleicht die Frequenzen zweier
optischer Hoch-Finesse Resonatoren, wobei einer dieser Resonatoren
kontinuierlich auf einem Drehtisch rotiert. Um die Eigenfrequenzen der
Resonatoren abzufragen, werden die Frequenzen zweier Nd:YAG-Laser
auf die Resonatoren stabilisiert. Die relative
Frequenzstabilität auf der Zeitskala einer Tischdrehung (~45s)
liegt bei ~1x10^-14, limitiert durch das thermische Rauschen der Resonatorspiegel.
Die Messung erstreckt sich über einen Zeitraum von einem Jahr, wobei mehr
als 10^5 Tischumdrehungen eingehen. Ausführlich werden die systematischen Effekte
und ihre Unterdrückung auf Signalamplituden
unter 1 Hz dargestellt. Im Vergleich zu
vorhergehenden Messungen konnten diese systematischen Effekte um einen
Faktor 10 bis 100 reduziert werden.
Zwei verschiedene Testtheorien wurden herangezogen, um ein Signal für eine Anisotropie
der Lichtgeschwindigkeit als Folge einer Verletzung der Lorentzinvarianz zu modellieren:
eine die Lorentzinvarianz verletzende Erweiterung des Standardmodells und
die Testtheorie von Robertson, Mansouri und Sexl.
Es wird eine Analyse der Daten im Rahmen beider Testtheorien präsentiert,
und Grenzwerte auf die relevanten Parameter werden bestimmt. Diese Grenzwerte
schränken eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit im
Bereich von 10^-16 ein, d.h. etwa 10 mal genauer als die Ergebnisse vorangegangener Messungen.
Schließlich wird ein Ausblick auf einen verbesserten
Aufbau gegeben, welcher neue Resonatoren zum Einsatz bringt, und es werden erste verbesserte
Resultate präsentiert. Damit steht der Weg offen
für eine Langzeit-Messung, welche die Grenze für eine
Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit bis in den Bereich von
dc/c~10^-17 drücken wird.
|
| Abstract (eng): |
| This thesis presents a modern Michelson-Morley experiment, which
provides improved limits on test parameters that model a violation
of Lorentz invariance in electrodynamics. The measurement sets an
upper limit on an anisotropy of the speed of light at a level of dc/c~10^-16.
The experiment compares the resonance frequencies of two optical
high-finesse cavities, one of them continuously rotating on a
turntable. To read out their resonance frequencies, two Nd:YAG lasers
are frequency-stabilized to these cavities. On the timescale of a turntable
rotation (~45s), a relative frequency stability of ~1x10^-14 is achieved,
limited by thermal noise of the cavity mirrors.
The measurement extends over one year and includes ~10^5 rotations.
The systematic effects compromising the measurement are described in detail,
together with the measures that have been taken to suppress systematic
effects below 1 Hz. This is a reduction by a factor of up to 100 as compared
to preceding experiments.
Two different test theories are applied to derive a signal for an anisotropy
of the speed of light as a consequence of a violation of Lorentz
invariance: a Lorentz violating extension of the standard model and the test
theory by Robertson, Mansouri and Sexl.
An analysis of the data within these two test models is presented, and limits
on the relevant test parameters are deduced. These limits restrict an anisotropy
of the speed of light at a level of 10^-16, which is a factor of ten more stringent as
compared to results of previous such measurements.
Finally, an outlook on an improved setup with new
cavities and and first results from this setup are presented. This setup
should allow for another order of magnitude improvement of the experiment''s
sensitivity within a following long-term measurement aiming for
the dc/c ~10^-17 level of accuracy. |
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