领域未知力探査

1、領域未知力探査余剰次元QED真空探増田正孝東京大学宇宙線研究所増田正孝東京大学宇宙線研究所KEK物理4号館345号室2009/07/14実験目的背景 力 他実験紹介実験方法 装置感度評価力測定解析標準理論越力制限内容実験目的/exp1)()()(1212221121rrrrGrdrdrV低極限真空入、未知力探査Phys. Rev. D 68 124021 (2003)Phys. Rev. D 68 124021 (2003)1m力力精密検証未知力探査未知力湯川型補正項表結合定数実験的制限標準理論越一 Large Extra Dimensions階層性問題階層性問題基本相互作用中重力弱一解一解

2、Large Extra DimensionsLarge Extra Dimensions Arkani-Hamed et al. Phys. Rev. D 086004 (1999) 等 4相互作用、重力以外力媒介粒子3+1次元内移動。(高次元時空)中移動。 次元化(1019GeV )、電弱(1TeV)生。Large extra dimensions実験的制限n=1 場合実験的排除n=2 場合実験的制限 rc 3.6 TeV for = 2.Phys. Rev. Lett 98, 021101 (2007)1m付近余剰次元化生、力観測可能性。cnncrrforrmmGrrforrmmGrV12

3、14214)(次元化生310210110)10)(10(19313/21619/2nmnmnmmMMMrnnrplanckrc重力逆2乗則現象素粒子標準理論枠内予測導体間引力1948年H.B.G.Casimir 量子電磁力学元予言電磁場零点振動境界条件差生起因力dF3222223237202222)211211(dckdkdkcdkdkdkkkkcddLLdVznzyxzyxzyx導体間力dLLLd単位面積：距離4乗反比例)N()m()m(107 . 236023933dRdRcVRF)N/cm()m(103 . 1240)(24742ddcdVF零点振動差平面球面間：距離3乗反比例金属間力：

4、補正計算必要金属間力：補正計算必要有限導電率、有限温度、表面凹凸有限導電率、有限温度、表面凹凸境界条件光子周波数依存Lifshitz定式化(Casimir異計算方法)(1956)73 2 JETP Phys. Sov. 94, (1956) 29 Fiz. Teor. Eksp. Zh.Lifshitz, M. E. )(41)( for 11281)(22222122323131312232313133020233kkkieedkddFdd金属間力極板間隔d、誘電関数()依存金属間力有限導電率効果有限導電率効果d321422132401dcF完全導体極限理想的力一致)(有限導電率効果特徴有限

5、導電率効果特徴近距離顕著近距離顕著完全導体場合比力弱効果完全導体場合比力弱効果金誘電関数金誘電関数金属金属/完全導体比完全導体比有限導電率補正赤：金青：金属誘電関数計算金属誘電関数計算光学測定値外挿金依存性十分小。浸透深浸透深4 4次計算次計算)(1)(2pi221)(pd(m)角周波数(rad/s)有限温度力輻射光子効果Lifshitz式温度量子化計算遠距離効果顕著(小効果)温度高力大 PRL 85 503 (2000), PRL84 40 (2000)等有限温度効果実験精度十分小。本実験力測定、理論比較。結果元未知力検証。m付近未知力探索他実験紹介。温度(K)0K力対比実験紹介1 Chia

6、verini, et al. 2003null実験l=250m,w=50m,t =0.335mk=5.0-5.5mN/m , f0300Hz動的測定質量 1.4g質量 金温度T=9-11K 真空度10-4Torr測定感度F10-16N(熱雑音)静電遮蔽測定結果熱雑音以上力：遮蔽板振動、静電気力変動?対、3-40m対厳制限Phys. Rev. Lett.90151101(2003)Phys. Rev. D 78, 022002 (2008).実験紹介2 Decca et, al. 2005小型振動子(MTO)k10-9Nm/rad Q104 容量 10-9rad/Hz0.5力働極板球面平面球面R

7、50mAu被覆150nm 平面Au被覆200nm下Au/Ge 200nm (AuGe密度差13.96kg/m3)MTOz方向振動、x方向移動極板間距離z150nm500nm力差分F0 z_m0差力差？Phys. Rev. Lett. 94, 240401 (2005).Phys. Rev. D 75, 077101 (2007).実験紹介3 Lamoreaux1997静的力測定実験Phys. Rev. Lett. 78, 5 (1997).制御零位法秤静電容量k=4.8dyn/rad 力測定感度F=10-11N測定結果 =0.010.05 bErratum間違指摘。実験精度過大評価指摘。特1測

8、定0.1m(床傾?)=1m30%相対誤差(10-10N)=1m長距離短距離比較長距離用小型装置静電気力力遮蔽板近困難近距離用小型装置大事困難未知力実験制限Phys. Rev. D 75, 077101 (2007).Phys. Rev. D 78, 022002 (2008) /exp1)()()(1212221121rrrrGrdrdrV他力測定実験比較球面平面間力測定実験比較球面平面間力測定実験比較小型装置小型装置細：近距離高感度秤秤 制御不安定性：近距離不利大球面半径：遠距離高感度、未知力対強探査能力遠距離高感度、未知力対強探査能力特実験Lamoreaux実験比較長周期化 力測定感度高制

9、御安定性高 近距離側測定可能系統誤差定量的評価秤用測定装置1.秤秤 高純度銅 (99.999%) 60 m, L400 mm2.光光 He-Ne 2法強度安定化 4分割 角度検出感度 1 rad/Hz1/2 at 1mHz3.系系 周波数 0.04 Hz4. 力用極板力用極板 球面鏡 40mm R207mm 平面鏡 30mm 5.距離制御距離制御 素子自動6.真空真空 真空度0.1 Pa平面極板球面極板間距離変化、力差分測定。平面極板球面極板間距離変化、力差分測定。真空真空装置図写真光源秤永久磁石真空406650江刺地球潮汐観測施設江刺地球潮汐観測施設(岩手奥州市阿原山岩手奥州市阿原山)実験地

10、面振動地面傾斜振動小実験地面振動地面傾斜振動小山奥山奥(阿原山阿原山)坑道内行。坑道内行。江刺観測施設環境地面傾斜地面傾斜傾斜傾斜都内建物10rad/day江刺観測施設20nrad/day地面振動地面振動 1mHz1Hz)都内比、1桁以上小地震研究所地震研究所(東京都内東京都内)江刺観測施設江刺観測施設非常測定適環境非常測定適環境地面振動地面振動時刻(時間)角度(rad)変位(m/Hz0.5)周波数(Hz)距離変動見積様要因距離変動様要因距離変動 地面振動地面振動 実測伝達関数実測伝達関数 地面傾斜実測伝達関数地面傾斜実測伝達関数 振動残差実測振動残差実測 熱雑音理論計算熱雑音理論計算影響距離

11、影響距離RMS 振幅振幅all=18 nm 距離測定距離一定状態、極板間電圧依存性測定Vc=82.60.9mV d0=1.6010.013m距離測定感度距離測定感度=13nm),(),(),(00dVFdVVFdVFbesbebvRdfor )(),(20dVVRdVFbcbe球面平面間電気力球面平面間電気力電圧変化時電圧変化時電気力差分電気力差分力測定感度；電気力測定電圧一定状態、遠距離0.3m接近、電気力距離依存性測定力差分測定感度力差分測定感度F=3.41011 N),(),(),(sdVFdVFdVFbebebsRdfor )(),(20dVVRdVFbcbe球面平面間電気力球面平面間

12、電気力距離変化時距離変化時電気力差分電気力差分未知力感度見積未知力予想感度見積距離変動=18nm絶対距離=13nm力差分測定感度F=3.41011 N100点取得 at 0.8, 1.1, 1.4, and 1.7m仮定11mm付近非常高感度付近非常高感度 Class. Quantum Grav. 24 (2007) 3965-3974.Class. Quantum Grav. 24 (2007) 3965-3974./exp1)()()(1212221121rrrrGrdrdrV 極板間力距離依存性測定測定方法6.5m付近距離0.3m極板近、時極板間力変動信号測定。距離0.5m付近達極板遠方

13、戻、0.3m近。測定合計587点取得距離区切、2.5以上28点取除。残合計559点元解析 力検証電気力+力全点電気力力 極板間残留電位差Vres Vres=20.00.2mV 2/Ndof =513/558 系統誤差影響 力誤差2/Ndof =533/558 距離誤差 2/Ndof =525/558 力残留電気力和一致力残留電気力和一致 未知力制限全点電気力力+湯川力 極板間残留電位差Vres湯川力結合定数関数差分図示。対2制限求。系統誤差考慮、力誤差距離誤差分同時、最控目制限求。 /exp1)(1212231331,rrrdrdGdVVjVijijiYu未知力結合定数制限対2制限(系統誤差込

14、)1.0m2.9m最厳制限余剰次元一制限Gauged Fields (baryon number) in the Bulk PRD 59 086004 Arkani-Hamed,et al(1999) PRD 68 124021 Dimopoulos, et al.(2003)4基本相互作用以外力存在、中移動。基本M* 以下質 量持粒子振。結合定数波長 相互作用強表係数 M* 基本M*対実験的制限加。標準理論越力検証42*425npmMcMMn112*44114nTeVM1001*Gauged Baryon in the bulk制限Gauged Fields in the bulk PRD 59 086004 Arkani-Hamed,et al(1999) PRD 68 124021 Dimopoulos, et al.(2003) 力強表M* 基本基本対下限値求(95