文档介绍：项目名称:
基于精密测量物理的引力及相关物理规律研究
首席科学家:
罗俊华中科技大学
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
教育部
一、研究内容
1、本项目主要研究内容
本项目基于精密扭秤和激光干涉精密测量实验技术和原子干涉仪为公共研究平台,对现有引力理论的基本假设和定律进行更加精密的检验,并为大统一理论的发展提供实验依据。主要研究内容有:探索引力相互作用的基本性质的实验研究、弱力测量技术研究以及背景环境物理场研究。
1). 探索引力相互作用基本性质的实验与理论研究:
实验研究利用精密扭秤和冷原子/离子/分子干涉作为微弱相互作用的测量手段,并通过巧妙与优化的实验设计,进行万有引力常数G精确测量、近距离牛顿反平方定律实验检验、等效原理检验(包括扭秤方案、冷原子方案、旋转冷分子方案)、精细结构常数α确定等实验研究。
相关理论研究深入研究相关的引力理论及其预言的物理效应,如:有挠力场的物理效应、额外维理论、近距离作用程牛顿反平方定律的偏离、宏观物体旋转是否会影响等效原理的成立等。依据实验结果对这些理论预言进行验证,同时根据理论预言,改变实验条件进一步检验这些效应,为最终统一四种基本相互作用提供可能的实验依据。
2). 弱力测量技术研究:
精密扭秤特性研究精密扭秤是地面灵敏度最高的弱力检测工具之一,它被广泛应用于万有引力等微弱相互作用的精确测量以及材料特性的研究等诸多研究领域。悬丝扭转弹性系数K与扭秤系统的品质因素Q的比值K/Q是衡量扭秤系统灵敏度的典型参数。因此对悬丝扭转弹性系数K的特性研究(非线性、热弹性、滞弹性、老化等)和寻找提高扭秤Q值的有效方法将是本项目中共性关键技术之一。
高精度喷泉式原子干涉仪技术研究包括双组份原子同步干涉仪方案、高束流原子束的产生、超高真空系统的获得与测量、磁光阱与冷原子相干加速、光脉冲的整形与控制、磁场屏蔽问题、原子之间碰撞可能引起的光频移问题、干涉过程中原子团的时间同步问题、原子团质心起始位置的重合问题、地基震动的主动隔离与反馈控制、信号测量与系统控制等。
囚禁离子精密谱研究包括利用微型非标准的Paul(射频)阱囚禁轻离子Li+,Li+冷却,探测激光的稳频和超窄线宽的实现,离子精密谱的极限突破,各种环境以及激光和场效应的影响等。
极性分子冷却囚禁和高速定向转动研究包括考虑高速定向转动时分子的有效冷却方法,极化的电磁场与极性冷分子相互作用,极性分子MHz~GHz量级定向转动方法,超冷分子高速转动时的物理效应,检测分子转动状态的可能途径,光晶格中高速旋转冷分子Bloch振荡等。
精密传感技术研究引力实验研究涉及到长度、位移、质量以及时间等物理量的精确测量。对这些物理量进行测量的精度水平,在很大程度上影响着物理实验的最终精度。我们将根据引力实验的具体特点,开展高精度角位移传感、相对位置的非接触测量、激光微位移传感、激光外差干涉等技术的深入研究。
微弱信号的数据处理方法研究借用现代数字信号处理方法,同时考虑系统动态特性与实验数据自身的特点,研究高精度特征信号提取的方法。
3). 背景物理场研究:
外界引力场、电磁场、温度场以及振动等背景物理场将对扭秤系统产生影响。一方面,研究精密扭秤对这些背景物理场响应的机理,寻找减小这些效应对实验系统耦合的优化实验设计,抑制背景物理场对扭秤系统的影响;另一方面通过调节背景场的大小,研究精密扭秤对背景场的依赖关系。然后对实验背景场进行同步监测,并和实验数据进行相关分析,扣除背景场影响,进一步提高实验精度。
2、本项目拟解决的关键科学问题
1) 万有引力常数G的精确测量万有引力常数G是目前精度最差的基本物理常数。近十年来,尽管国际上几个实验小组都认为自己的测G实验达到了5×10-5(50ppm)数量级的相对精度,但事实上各小组之间测量结果的吻合度仅达到200ppm水平。这进一步说明万有引力常数G的测量是一项极其复杂和艰巨的工作,
并暗示在已给出的测G结果中,可能存在未被认识的系统误差,或者万有引力定律本身需要修正。
2) 近距离牛顿反平方定律实验检验牛顿反平方定律在天文尺度上出现广义相对论的修正,但是在介观或者微观尺度上会出现什么样的修正至今尚不清楚。20世纪后半叶,科学家们开始关注引力常数随时空的变化以及与万有引力有关的一些反常现象,人们对牛顿反平方定律的正确性进行了一系列的实验检验。目前,虽然实验上已经排除了ADD模型预言的两个空间额外维(对应于亚毫米作用程),但是在更近距离上的理论模型仍然相当丰富,更高精度和更近距离的实验检验将为统一场论的进一步发展提供直接的实验支撑。
3) 基于精密扭秤技术、冷原子干涉仪技术、和旋转冷分子的等效原理实验检验等效原理最早由伽利略提出,经牛顿等人进一步明确表述后,爱因