基于高Q值扭秤检验弱等效原理实验的前期研究

摘要

弱等效原理是爱因斯坦广义相对论的基础，它指出不同物体在同一引力场中具有相同的加速度，实验上通过比较不同物体在同一引力场中的加速度是否相同来检验弱等效原理。同时，高精度的等效原理实验可以检验与组分有关的新相互作用力，是低能粒子物理的重要前沿之一。目前，地面检验弱等效原理实验精度最高的是华盛顿大学E?t-Wash 小组采用的旋转扭秤实验，对水平加速度差的测量精度达到3×10-15m/s2，给出了弱等效原理的检验上限η(Be-Ti)<1.8×10-13。通过对E?t-Wash 小组旋转扭秤实验的误差分析表明，限制实验精度的主要因素为引力梯度效应和扭秤系统的热噪声。
　　 本文主要针对这两方面做了一些前期的计算和实验研究。首先，利用球谐函数多级矩展开的分析方法，对引力梯度效应公式进行了推导。扭秤受到引力源的力矩大小可以表示为扭秤引力多级矩和周围引力多级矩梯度场的耦合。因此，增加扭秤对称性和外加补偿质量，是减小引力梯度效应的主要方法。其次，根据涨落耗散定理，扭秤的力矩热噪声功率谱密度St(f)∝1/Q，其中Q 为扭丝的品质因素，因此提高Q 值是降低热噪声的主要途径之一。通常的扭丝为钨丝、铍铜丝等金属材料，扭秤系统的Q 值约为2000～4000，石英材料较金属材料具有更高的Q 值，本文进行了高Q 值石英丝的制作与测量，结果显示直径在30μm以上的石英丝，其Q 值高达2×105。相比于华盛顿大学使用的直径为20μm，Q 值为4000的钨丝，石英丝扭秤的理论热噪声极限降低了约6 倍。为解决石英丝不导电问题，对石英丝表面进行了镀膜处理，结果表明镀金约20nm 厚的石英丝Q 值明显下降至约1～2 万，并发现石英丝的Q 值与镀膜材料、镀膜厚度及石英丝的直径有关，因此要获得导电性好Q 值高的石英丝，选择耗散小的镀膜材料以及合适的镀膜厚度是实验的主要工作方向，本文的工作在这方面为下一步的实验提供了一些参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 引 言

2 弱等效原理实验检验综述

3 扭秤弱等效原理实验检验

4 石英丝的制作与Q 值测量

总结与展望

致 谢

参考文献