“基于精密测量物理的引力及相关物理规律研究”立项报告

广义相对论(经典的引力理论)和粒子标准模型理论(量子规范理论)是目前最成功的基础物理理论,两个理论都通过了迄今为止所有的实验检验。但可惜的是两个理论目前并不兼容。因此,对于物理学家来说,发现一个能统合自然界所有基本相互作用的理论框架就显得非常重要。引力及其相关物理规律的研究对于深入理解引力的性质和规律、寻找新的基本力和最终统一描述4种基本相互作用具有重要指导意义。由于实验是检验物理理论正确与否最有效的判据,人们期待着利用更精密的实验技术和更巧妙的实验方法,在更广的相互作用范围和更高的实验精度上检验广义相对论与量子理论基本假设的正确性以及相关的预言。该研究的基本出发点是寻找新的相互作用,开展引力基本规律和QED理论检验。在引力基本规律研究中,进行万有引力定律和等效原理的实验检验。对万有引力定律的检验包括两个方面:分别是进行万有引力常数G的精确测量和近距离牛顿反平方定律的实验检验。在等效原理的实验检验中,分别通过精密扭秤、冷原子自由落体和旋转冷分子3种方式进行实验检验。另外,拟通过对Li+离子的精密光谱测量开展关于束缚态QED理论的实验检验,进行精细结构常数α的测量。研究紧密围绕目前物理学基础研究中的最前沿,任何一个课题的突破都将对物理学的发展产生极其深远的影响,并使我国在该领域的研究在国际学术界占有一席之地。

利用扭秤检验牛顿反平方定律在近距离范围的正确性

许多理论模型预言牛顿引力反平方定律在近距离下将发生偏离.本文简要介绍了牛顿反平方定律的实验检验现状,给出了利用精密扭秤技术检验近距离反平方定律的实验原理和实验结果,分析了扭秤实验的热噪声和灵敏度.

黄河三角洲地区农村集体土地流转问题研究——以东营、滨州市为例

通过对黄河三角洲地区农村实体调查研究,了解黄三角地区农村集体用地流转现状,并对其存在的问题进行调查分析,最后,有针对性地提出健全黄三角地区农村集体土地流转市场机制的对策。

天琴计划简介

天琴计划预期于2035年左右发射并部署边长约17万公里的等边三角形卫星星座,构成一个引力波天文台—天琴。天琴将对10^(-4)~1 Hz频段的引力波进行探测,为人类描绘一幅更全面的宇宙图景。在本文中,我们对天琴计划的背景和提出过程、天琴的主要探测对象和主要科学目标、天琴需要攻克的核心关键技术问题、天琴计划技术路线图及进展等进行介绍,以方便更多人加入这一项富有挑战而又激动人心的工作。

天琴惯性传感器初步设计思考与进展

介绍了引力波探测任务中惯性传感器的需求、工作原理和发展,重点讨论了LISA Pathfinder卫星惯性传感器的研究进展。对比天琴计划需求分析,讨论了天琴惯性传感器的设计要点,在此基础上给出了天琴惯性传感器的初步设计和噪声分析。最后,介绍了天琴一号惯性传感器在轨测量结果和后续研究计划。

中山大学月球激光测距研究与实验

地月激光测距是"天琴计划"0123技术路线图中的第"0"步,为实现引力波探测卫星的高精度定轨及相关科学研究,本文开展了月球激光测距分析与实验研究,分析系统探测能力和测距精度。中山大学天琴计划激光测距台站(以下简称"天琴台站")采用1.2 m口径激光测距望远镜,激光波长1064 nm,激光能量320mJ,激光重复频率100 Hz,激光脉宽80 ps,首次采用2×2多元阵列超导探测器进行月球激光测距。天琴台站于2019年6月8日(农历初六)晚首次获得来自Apollo 15角反射器阵列有效回波信号4组,随后于2019年11月7日(农历十一)晚成功接收到来自月面全部5个激光角反射器阵列的有效回波信号,测距精度达到cm量级,标致着天琴台站已经具备常规月球激光测距能力。

万有引力常数G精确测量实验进展

万有引力常数G是人类历史上引入的第一个基本物理学常数,其在理论物理、天体物理和地球物理等许多领域中扮演着重要角色.两百多年来,人们共测量出了200多个G值,但G的测量精度仍然是所有物理学常数中最差的,这一现象反映了测G工作本身的复杂性和困难性.本文简要概述了G值测量的意义和测G的历史,并结合自2010年以来国际上新出现的三个高精度测G实验介绍这一领域的研究进展,以及华中科技大学引力实验中心测G工作的最新动态.

Improvement of Test of Solar Neutrino Coherent Scattering with Torsion Pendulum

包含二蓝宝石晶体和二枚铅戒指的一只扭转摆钟被用来协调散布测试威伯提高的太阳的中微子的理论。我们的实验给空结果为日报有 3.8 x 10 的噪音水平的力量(-14) N，它比威伯的理论的预言的价值小 526 倍，并且直接排除威伯的理论和试验性的结果。这 experiemtn 也与希腊语字母的第七字揭示弱等价 priniciple 的测试(Al2O3， Pb )=(0.8 +/- 3.1 ) x 10 (为向阳光掉落的群众的 -10) 。

近距离牛顿反平方定律实验检验进展

为了统一描述自然界的四种基本相互作用,科学家提出了很多理论模型,其中很多理论认为牛顿反平方定律在近距离下会发生偏离,或存在其他的非牛顿引力作用,而理论的正确与否需要高精度的实验检验.国际上很多研究组在不同间距下采用不同的技术对反平方定律进行了高精度的实验检验,本文重点介绍华中科技大学引力中心采用密度调制法分别在亚毫米与微米范围进行的实验研究进展.在亚毫米范围采用精密扭秤技术,在对牛顿引力进行双补偿、抑制电磁干扰后,结合零实验与非零实验结果,在作用程为70—300μm区间对Yukawa形式的破缺给出国际上精度最高的限制.在微米范围采用悬臂梁作为弱力传感器,通过测量金球和密度调制吸引质量间水平力的变化来检验非牛顿引力是否存在,实验结果不需进行Casimir力和静电力背景扣除,是此间距下不依赖于Casimir力和静电力理论计算模型的两个结果之一.

精密扭秤实验技术及其应用

作为一种古老而经典的弱力检测工具,扭秤凭借其超高的灵敏度在精密测量领域得到了持续而广泛的应用.本文描述了扭秤的基本工作原理,分析了限制扭秤实验精度的基本因素,在此基础上重点介绍了华中科技大学引力中心实验小组采用扭秤技术在精密测量物理领域的实际应用,如基于扭秤周期法的万有引力常数G的精确测量,基于扭秤双频调制的近距离牛顿反平方定律实验检验,以及基于旋转扭秤调制的光子静止质量实验检验等.

弱等效原理的实验检验进展

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,然而,试图将引力与其他三种相互作用统一起来的诸多理论模型都要求等效原理破缺.因此,对等效原理进行高精度的实验检验有助于人们加深对等效原理及引力本身的理解.等效原理的理论研究与实验检验也一直是国际上的热点课题与前沿问题.本文主要介绍了国际上检验弱等效原理的各种方法,如单摆法、扭秤法、自由落体法、地月激光测距和空间计划等,并介绍了这些方法的最新研究进展.

Analysis and suppression of thermal effect of an ultra-stable laser interferometer for space-based gravitational waves detection

In this paper,we present a suppression method for the thermal drift of an ultra-stable laser interferometer.The detailed analysis on the Michelson interferometer indicates that the change in optical path length induced by temperature variation can be effectively reduced by choosing proper thickness and/or incident angle of a compensator.Taking the optical bench of the Laser Interferometer Space Antenna Pathfinder as an example,we analyze the optical bench model with a compensator and show that the temperature coefficient of this laser interferometer can be reduced down to 1 pm/K with an incident angle of 0.267828 rad.The method presented in this paper can be used in the design of ultra-stable laser interferometers,especially for space-based gravitational waves detection.