A Michelson-Morley test of Lorentz invariance using a rotating optical cavity
Creators: name: Herrmann, Sven
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2008
Subjects: subject: Praezisionsexperimente
subject: Lorentzinvarianz
subject: Spezielle Relativitaetstheorie
subject: Metrologie
subject: precision experiments
subject: Lorentz invariance
subject: special relativity
subject: metrology
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: 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.
description: 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.