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!