東京大学宇宙線研究所 増田正孝、青木利文、佐々木真人 東京大学地震研究所 新谷昌人 高エネルギー加速器研究機構 東保男

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1 東京大学宇宙線研究所 増田正孝、青木利文、佐々木真人 東京大学地震研究所 新谷昌人 高エネルギー加速器研究機構 東保男
量子真空場ゼロ点振動力の測定 東京大学宇宙線研究所　 増田正孝、青木利文、佐々木真人 東京大学地震研究所 新谷昌人 高エネルギー加速器研究機構 東保男

2 起源の探究 新たなる の重要性 エネルギーフロンティア 真空 加速器 宇宙 最低エネルギー 高エネルギー 最高エネルギー
GUT相転移、重力、超重粒子、余剰次元、痕跡ν散乱、暗黒エネルギー 場の理論、Axion、宇宙項、余剰次元、重力 素粒子標準理論 超対称性 起源の探究

3 量子真空場ゼロ点振動力 （カシミール力）とは
量子真空場ゼロ点振動力 （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 距離の４乗に反比例した引力 温度0K・誘電率∞が前提 実験におけるカシミール力 温度・誘電率・表面の粗さを補正

4 素粒子実験場としての真空 カシミール力の補正項に潜む未知の相互作用の解明 =>広いレンジでカシミール力の精密測定を目的とする
未知の力の結合定数につけられた制限 地震研Limit 神岡Limit (300k) 測定感度

5 SPARNAAY 1958 0.6~2μmレンジ Physica XXIV751-764 ・天秤を用いて測定 ・極板クロム、アルミ
力(10-5N/cm2) 破線：理論値 横棒：距離決定の不定性 結果：理論値に対して100%程度の不定性 　　　　測定感度と距離決定精度が問題 　Physica XXIV ・天秤を用いて測定　 ・極板クロム、アルミ ・力の検出　　 静電容量による変位測定:10-8～10-9N　

6 Lamoreaux 0.6~6μmレンジの測定 S.K.Lamoreaux, PRL 78,5 (1997)
実線：カシミール力理論値 電気力をフィットで引いた値 　　S.K.Lamoreaux, PRL 78,5 (1997)　 ・検出部は静電容量測定　測定感度10－11N ・零位法(静電気力によるフィードバック) ・球面鏡と平面鏡(金)の間に働く力 （３乗に逆比例）を測定 ・5%精度でカシミール力を検証？ ・理論式（温度・誘電率による補正）に誤り ・もっとも大きな誤差の原因： 測定中(1cycle３２点測定 25分)のドリフト 我々の実験では各点ごとに距離を実測

7 AFMを用いた100~500nmレンジでの測定 ・A.Roy, C.Y.Lin, U.Mohideen, PRD60 (1999)
曲線：理論値 ・A.Roy, C.Y.Lin, U.Mohideen, PRD60 (1999) ・AFM（原子間力顕微鏡）の原理を用いた測定 ・アルミの球（直径201.7μm）と平板 ・1%精度の確認？ ・理論式（温度・誘電率による補正）に誤り

8 カシミール力における温度効果 補正を含まない理論式に対する相対値 Roy,Lin,Mohideen Lamoreaux
・有限温度による補正に誤り 　この２つの実験では誘電率補正と温度補正を別々に計算 　温度による補正：誘電率に大きく依存 ・間違った理論に実験が合っている？ M.Bostrom and B.E.Sernelius, PRL (2000) 補正を含まない理論式に対する相対値 Roy,Lin,Mohideen Lamoreaux 誤った理論値 0k 0k 300k 300k

9 我々の装置の概要 真空チェンバー内 1.ねじれ秤 ワイヤーで吊された金属棒 2.トンネル電流検知部: STM（走査型トンネル電流顕微鏡）の
1.ねじれ秤　ワイヤーで吊された金属棒 2.トンネル電流検知部: STM（走査型トンネル電流顕微鏡）の 原理を用いたねじれの角度モニター 探針をねじれ秤の先端の極板に近づけ、 その間に流れるトンネル電流が 常に一定(1nA)になるように フィードバックで追尾 最小感度;10-9rad以下 ３．微小力感応部: ２枚の極板を接近させ力を働かせる 周波数変調法を用いる 距離測定：極板間の静電容量から求める ６00ｍｍ １５０ｍｍ ３.微小力感応部 2.トンネル電流検知部

10 装置のセットアップ Casimir Plate 金を蒸着した石英 平面鏡:φ25.4mm、 面精度λ/10
チェンバー内 地震研地下にて 真空チェンバー；ロータリーポンプで10-2torr ビューポート レーザー ロータリーポンプ フォトダイオード 球面鏡 平面鏡 Casimir　Plate 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：　ピエゾ11.6μm/100V, 電動ステージ

11 トンネル電流検知部の開発 フィードバックテスト用の装置 原理 トンネル電流の大きな距離依存性を利用したフィードバック
粗動用マイクロメータヘッド 100mm ピエゾ素子 ３１３V/μm 原理 トンネル電流の大きな距離依存性を利用したフィードバック ピエゾに探針を取り付けたもの １．探針を極板から1nm程度に近づける。 ２．極板と探針間に電圧100mVをかけトンネル電流をモニター ２．常に一定(1nA)となるようにピエゾに信号を送り、極板の動きに追随 ３．ピエゾに送った信号から極板の変位量に換算 バイトンゴムとアルミ 70mm STM用探針 0V 極板 +100mV フィードバックテスト用の装置 定電圧源 プレアンプ STMフィードバックコントローラ ピエゾドライバ 高圧増幅器 + トンネル電流 +100mV 0V －

12 トンネル電流フィードバックテスト ステージの熱膨張をフィードバックで再現 トンネル電流による フィードバック制御の 確立
・ピエゾで作った擬似的なねじれ振動　　(振幅350nm,0.1Hz)に追随 ピエゾへの出力電圧 トンネル電流による フィードバック制御の 確立

13 トンネル電流の持つ変位感度 逆関数 図1 図2 図1 探針と極板間の距離 VS トンネル電流（Logスケール）
Distance(nm) Log(I nA) 逆関数 Distance(nm) 図1 図2 図1　探針と極板間の距離　VS　トンネル電流（Logスケール） 図2　トンネル電流（Logスケール　100nA付近）　VS　探針と極板間の距離 　　　100±0.1nAのときの変位　 nmの分解能 　　　トンネル電流の持つ可能な到達感度　7.1×10-17N　：重力の４桁下 　　　感度はバックグラウンドによって制限される

14 極板間隔の決定精度と装置の較正 距離の測定 極板間の静電容量をブリッジ回路にて測定 レーザー変位計を用いて距離の 測定精度を調べた。
極板間の静電容量をブリッジ回路にて測定　 レーザー変位計を用いて距離の 測定精度を調べた。 0.6～30μmにて 理論値C=55.63LN( /d) とのずれは5%以内： 距離の決定精度　５％ ピエゾの較正：１１．６μm/100V

15 レーザーを用いたねじれ秤のノイズ振動測定
水平方向 時系列 120s 周波数スペクトル密度 単振動；周期120s Q=34 垂直方向 0.9Hz 時系列 周波数スペクトル密度 0.9Hzにピーク；振り子運動(L=30cm)に対応

16 ダンピング磁場中でのノイズ測定 ・縦方向の振動（振り子モード）を抑える ・トンネル電流検知のダイナックレンジに長時間おさまるようにする
鉛直下側から垂直磁場(1500gauss) 渦電流減衰によりQ=2.4 水平方向 垂直方向 ピーク付近を拡大 ピーク付近を拡大 赤；磁場なし 青；磁場あり

17 ２．ニュートン重力(Cu;φ12, 厚さ1mm d=1μm～10μm)のS/N
スペクトル密度から求めた。 F; Φ12mm,t=1mmの極板(Cu)間に働く力(N) I;慣性モーメント(kg・m2) ω;変調角周波数(Hz) ω0;ねじれ秤の共振角周波数(Hz) γ;減衰係数(Hz) １．カシミール力に対するS/N　 Q=3 測定時間50分 ２．ニュートン重力(Cu;φ12, 厚さ1mm d=1μm～10μm)のS/N 重力に対してＳ/Ｎ=140 余剰次元重力があれば測定可能

18 極板間の力の測定 極板間に 接触電位差 V GND ２次関数でフィット V=92mV 曲線：電気力(1/d)でフィット 極板間の電圧に
原因不明の斥力 測定レンジ(1～10μm)にて変調測定を行ったが キャンセルできず 斥力の原因（過去の論文etc） 極板表面の状態に起因？ 電荷、塵、ロータリーポンプによる油、アウトガス 対策：洗浄、加熱処理、オイルレスポンプetc 変調ねじれの時間変動の測定

19 まとめ ・カシミール力補正項の精密測定 => 未知の力へのプローブ ・過去の検証実験の問題と我々の改善：
到達感度　 => トンネル電流検知 1 ～ 10μm レンジで カシミール力補正項 の精密測定 1mm ～ 1μm レンジで 余剰次元重力 を検証 レンジ精度 =>　各点で静電容量の測定 有限温度効果の取り扱い =>　最近の理論の整備 ・新たな測定方法の確立。試料表面の状態の理解が急務 展望 装置の低温化・温度制御　=> 　温度補正項の議論に決着