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捩れ秤による 量子場の零点振動力の測定

TAMA シンポジウム　 2/6.7. 捩れ秤による 量子場の零点振動力の測定. 東京大学宇宙線研究所 増田正孝、青木利文、佐々木真人 高エネルギー加速器研究機構 東保男 東京大学地震研究所 新谷昌人. 量子場の零点振動力 ( カシミール力 ) とは. H.B.G.Casimir, Proc. K. Ned. Akad. Wet. 51, 793 (1948) QED による帰結： 　真空中での電磁場のゼロ点振動エネルギー：境界条件により差を持つ 2 枚の金属平板の存在するときと、存在しないときでの差をとる. d. 有限の導電率・有限の温度・表面の粗さ　を補正.

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捩れ秤による 量子場の零点振動力の測定

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Presentation Transcript

  1. TAMAシンポジウム　2/6.7 捩れ秤による量子場の零点振動力の測定 東京大学宇宙線研究所 増田正孝、青木利文、佐々木真人 高エネルギー加速器研究機構 東保男 東京大学地震研究所 新谷昌人

  2. 量子場の零点振動力(カシミール力)とは • H.B.G.Casimir, Proc. K. Ned. Akad. Wet. 51, 793 (1948) • QEDによる帰結： • 　真空中での電磁場のゼロ点振動エネルギー：境界条件により差を持つ • 2枚の金属平板の存在するときと、存在しないときでの差をとる d 有限の導電率・有限の温度・表面の粗さ　を補正

  3. 実験の目的1～10µmレンジでカシミール力を精密測定実験の目的1～10µmレンジでカシミール力を精密測定 理論　　有限温度による補正項の理論　　　に関して異なる値 ・M.Bostrom et al. PRL 84 4757 (2000) ・B.Geyer et al. PRL 85 503 (2000) 未知の力に対するプローブ 余剰次元重力理論など 実験　温度補正項は未確認 ・.K.Lamoreaux, PRL 78,5 (1997) 0.6-6μm ・A.Roy et al PRD60,111101(1999) 0.1- 0.9μm ・Ederth PRA62,104(2000) 0.02-0.1μm

  4. 測定の原理 カシミール力極板 フィードバック用極板 ねじれ秤 1.　ねじれ秤 　・T=138.3±0.2秒 　・Ｑ＝4.49±0.07　垂直磁場 2.2枚の金属極板 3　ねじれの検知:光てこ 　・レーザー 　・フォトダイオード 4.　零位法 　　電気力を用いたフィード 　　バックによる制御 フォトダイオード レーザー 初段アンプ Vo＋⊿V Vo－⊿V 積分回路 足し算回路 和差算回路 ⊿V 増幅回路 V0

  5. 装置のセットアップ 真空チェンバー内 球面(凸)鏡 平面鏡 反射鏡 カシミール用極板 金を蒸着した石英 平面鏡:φ25.4mm、 　面精度λ/10 球面鏡:φ40.0mm、R200mm 面精度λ/4 駆動系：　微動… ピエゾ11.6µm/100V 　　　　　 　粗動… マイクロメータステージ フィードバック用極板 銅の平面極板　φ30mm 永久磁石(表面 　～5000gauss)

  6. 装置の較正 変位(μm) フォトダイオードの電圧 (V) ピエゾの較正 ・ピエゾの較正 容量型センサーで較正 11.6µm /100V ヒステリシスが大きいため較正された経路のみ使用 フォトダイオードの較正 ・フォトダイオードの較正 角度のレンジ　±250μrad 出力/角度　　　3.65mV/μrad

  7. 接触電位差の測定 V ⊿V(V) バイアス電圧 (mV) 極板１ 極板2 接触電位差：異種金属の接触による電位差 　　　　　　数10から数100mV この装置での異種金属の接触点：約20個所 極板間隔 約60µmの位置で バイアス電圧を変化させたときの電気力の測定 2次関数でフィットし接触電位差を測定 極板間にバイアス電圧１02mVをかけて測定

  8. フィードバックを用いた測定と解析方法 フィードバック電圧の変化 解析方法 フィードバック電気力 フィードバック電圧⊿Vの変化量を力に換算 ⊿V(V) 時間 (秒) ねじれ振動の残差 カシミール力測定環境　 室温14.5℃　真空度 ～3.0×10－4Torr 地震研究所地下にて 遠方約10μmの距離から カシミール力用の極板を近づけていき、 そのときに働いた力を求めた。 ねじれ秤の変位(μm) 時間 (秒)

  9. 測定結果と解析 Force(×１０－９N) 4μmより遠方 カシミール力/電気力＜5％ 電気力でフィット V=10.37 mV χ2乗/ndf=2.741/3=0.9136 電気力曲線 電気力＋カシミール力曲線 Distance(μm) カシミール力理論曲線 測定点からこの電気力を差し引く

  10. 電気力を差し引いた後の結果 Force(×１０－９N) カシミール力理論曲線に対する χ2乗/ndf=4.143/3=1.381 F = 0に対する χ2乗/ndf=26.91/3＝8.973 確率にして　6.319×10-6～0.0006% Distance(μm) カシミール力理論曲線

  11. 系統誤差の評価 極板間隔の系統誤差　 　　・零点の位置　　　　　　　　　　　　　　　　　　　～0.2µm 　　・ねじれ秤の腕の長さ 1.8% 　　・フォトダイオードから反射鏡までの距離 0.7% 　　・フォトダイオードの応答 約2% 　　・ピエゾの応答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 約2% 　　　　　合計　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　＜0.3µm 力の系統誤差　　　　　　 ・ねじれ秤の周期　　　　　　　　　　　　　　　0.2～0.3% ・ねじれ秤の腕の長さ 1.8% ・ねじれ秤の慣性モーメント 1.3% ・ピエゾの応答 約2% ・フィードバック用極板のdC/dx 3.3% 　　　　　合計　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＜5%

  12. 今後の展開：測定精度の改善へ ねじれ角度の振幅スペクトル密度 角度(μrad／Hz^0.5) 測定されたノイズ振動 主なノイズ源は地面振動 防振装置の設置 低ノイズ環境への移行 1桁の改善　：10－12N 周波数(Hz) 熱雑音 検出器などのノイズ

  13. 今後の展開：温度補正項の確認へ STM検出器 装置の低温化によって 10k～300kでの測定 ・STM検出器の導入 小型かつ高検出感度:40prad カシミール力の温度補正項 の確認へ

  14. まとめ 目的：量子場の零点振動力（カシミール力）の検証 測定：ねじれ秤を用いて2～10μｍレンジで行った 結果：カシミール力と矛盾しないことを確認　 今後 ・低ノイズ振動化 ・STM検出器によるフィードバック制御 ・温度補正項の検証へ向け低温化

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