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----引力实验研究

发布时间:2013-06-05          来源:admin           浏览次数:

一、主要研究内容
    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四种基本相互作用具有重要指导意义。课题组围绕引力相关问题开展实验与理论的研究。主要研究内容包括:牛顿万有引力常数G的精确测量;近距离牛顿反平方定律的实验检验;等效原理的实验检验;引力理论基本问题研究。主要研究方向有:
    ① 牛顿万有引力常数G的精确测量

       采用扭秤周期法得到了精度26ppm的实验结果,是国际上精度好于50ppm的七个值之一。目前正在采用扭秤周期法和角加速度法这两种不同的方法同时进行测G,比较测量的G值,分析其中存在的系统误差,以期得到更准确的结果。

       ② 近距离牛顿反平方定律的实验检验
    采用精密扭秤测量两平行板之间水平方向的非牛顿引力,得到的结果在国际上处于领先水平。目前我们小组正在分别采用高频扭秤调制以及AFM技术,以期在更高的精度和更近的距离下检验牛顿反平方定律是否成立,同时研究高维时空理论的可能推论。

        ③ 等效原理的实验检验
    采用双落体激光干涉法检验宏观旋转物体等效原理,解决了真空容器中悬挂陀螺稳定起旋、双落体亚毫秒级同步释放无损捕获等关键技术。目前实验室正在开展旋转冷分子等效原理的实验探索研究和采用高Q值的石英丝扭秤技术在10-14量级上检验弱等效原理。

        ④ 引力理论基本问题研究
     目前正进行引力波检测、后牛顿参数测量等检验广义相对论的空间实验方案研究。

   二、主要研究进展

        (1)万有引力常数G的精确测量: 采用扭秤周期法测量了万有引力常数G值,测量结果HUST-99 [Phys. Rev. D 59 (1998) 042001]被1998、2002和2006年国际物理学基本常数委员会(CODATA)推荐的G值所采用。该项研究成果获得2000年湖北省自然科学一等奖和2003年全国优秀博士学位论文。在改进的周期法测G实验中,对实验方案进行了一系列的优化设计以及对各项误差进行了深入的研究,先后历时10余年,获得G值的相对精度达到26ppm [Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 240801]。 测量结果HUST-09被2010年的CODATA值所收录,是目前国际上精度优于50ppm的七个结果之一,也是采用扭秤周期法得到的最高精度的G值。考虑到各个实验小组给出的G值在误差范围内不吻合,我们实验小组目前正在分别采用周期法以及角加速度法两种方法测量G值,比较不同方法在同一实验地点测量的G值是否吻合,分析可能存在的系统误差。

        

   最近7个精度小于50 ppm以及CODATA推荐的G值。

       (2)近距离牛顿反平方定律的实验检验: 将引力与其它三种基本相互作用统一起来的主要困难之一是引力较另外三种力小很多,因此诸多理论模型预言牛顿反平方定律在近距离下将发生偏离。我们采用精密扭秤测量两平行板之间水平方向的非牛顿引力,先后解决了扭秤反馈控制、静电屏蔽、微小位移驱动与激光干涉同步监测等关键问题,2006年的实验结果表明精密扭秤的力矩分辨率在95%的置信水平下达到5×10-16Nm,实验结果验证了牛顿反平方定律在作用程大于66μm范围内的正确性 [Phys. Rev. Lett. 98(2007)201101]。在随后的2012年初,我们检验了毫米区间(0.4-1.0mm)内牛顿反平方定律的正确性:在mHz频带处,95%的置信水平下,扭秤的力矩噪声低于5.2×10-16Nm,在此精度下没有测量到非牛顿效应。同时,该结果给出了0.7mm ~ 5.0mm作用程内最好的非牛顿限制,其中在作用程约3 mm处的结果将当前国际上此区间最好的实验精度提高了约8倍,对应的非牛顿上限为|α|~10-3。目前我们实验小组正在分别采用高频扭秤调制以及AFM技术,以期在更高的精度和更近的距离下检验牛顿反平方定律是否成立,同时研究高维时空理论的可能推论。

   

   近距离下牛顿反平方定律实验检验结果,
图中深色区域为已经被实验排除了的区间,白色区域为尚待验证的区间。

       (3)等效原理的实验检验:等效原理是广义相对论基本假设之一,但几乎所有试图将引力和其它相互作用统一的理论都要求它破缺。而两个检验质量的运动状态不同是否会导致等效原理破缺,是一个有待检验的科学问题。罗俊与张元仲、聂玉昕合作提出物体自由下落的加速度是否与其运动状态有关的问题。课题组采用双落体激光干涉法检验宏观旋转物体等效原理,解决了真空容器中悬挂陀螺稳定起旋、双落体亚毫秒级同步释放无损捕获等关键技术,结果表明在1.6×10-7相对精度内,宏观旋转物体等效原理仍然成立[Phys. Rev. D 66(2002)022002]。为了进一步检验等效原理,目前实验室正在开展旋转冷分子等效原理的实验探索研究和采用高Q值的石英丝扭秤技术在10-14量级上检验弱等效原理。同时,正在开展低温扭秤检验等效原理的前期方案研究,为将来在更高精度下检验等效原理奠定基础。

       (4)引力理论基本问题研究: 目前正进行引力波检测、后牛顿参数测量等检验广义相对论的空间实验方案研究。

   三、主要研究成果

主要的发表论文(更新至2017年10月):

2017年:    
  1. P S Luo, J H Ding, J B Wang, et al, Constraints on spin-dependent exotic interactions between electrons at the nanometer scale, Phys. Rev. D 96, 055028 (2017)
  2. C G Qin and C G Shao, General post-Minkowskian expansion and application of the phase function, Phys. Rev. D 96, 024003 (2017)
  3. Y F Chen, C G Shao and Y J Tan, Experimental Design for Testing Local Lorentz Invariance Violations in Gravity, Symmetry 2017, 9(10), 219
  4. QIN ChengGang, SHAO ChengGang, TU LiangCheng, What is the nature of gravity? Chinese Science Bulletin 62(15), 1555-1558 (2017)
  5. C G Shao, Y F Chen and Y J Tan, Preliminary Design of a Pendulum Experiment for Searching for a Lorentz-Violation Signal, CPT and Lorentz Symmetry: pp. 33-36. (2017)

2016年:
  1. W H Tan, S Q Yang, C G Shao, et al, New Test of the Gravitational Inverse-Square Law at the Submillimeter Range with Dual Modulation and Compensation, Phys. Rev. Lett. 116, 131101 (2016)
  2. C G Shao, Y J Tan, W H Tan, et al, Combined Search for Lorentz Violation in Short-Range Gravity, Phys. Rev. Lett. 117, 071102 (2016)
  3. C G Shao, Y F Chen, Y J Tan, et al, Enhanced sensitivity to Lorentz invariance violations in short-range gravity experiments, Phys. Rev. D 94, 104061 (2016)
  4. Q. Li, J P. Liu, C. Xue, Research on supporting mounts of spheres in measurement of gravitational constant G, Rev. Sci. Instrum.87, 034504 (2016)
  5. J B Wang, S G Guan, K Chen, et al, Test of non-Newtonian gravitational forces at micrometer rangewith two-dimensional force mapping, Phys. Rev. D 94, 122005 (2016)
  6. 邾琳, 刘祺, 赵慧慧, 等, 弱等效原理的实验检验进展, 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2016年 第46卷 第7期: 073002

2013~2015年:
  1. C G Shao, Y J Tan, W H Tan, et al, Search for Lorentz invariance violation through tests of the gravitational inverse square law at short ranges, Phys. Rev. D 91, 102007 (2015)
  2. 邵成刚, 陈亚芬, 谈玉杰, 利用近距离牛顿反平方定律实验探索洛伦兹不变性破缺效应, 科学通报, 2015年第34期
  3. Q Li, J P Liu, H H Zhao, et al,G measurements with time-of-swing method at HUST, Phil. Trans. R. Soc. A 372, 20140141 (2014)
  4. L D Quan, C Xue, C G Shao, et al, Feedback control of torsion balance in measurement of gravitational constant G with angular acceleration method. Rev. Sci. Instrum., 85, 014501 (2014)
  5. C Xue, L D Quan, S Q Yang, et al, Preliminary determination of Newtonian gravitational constant with angular acceleration feedback method. Phil. Trans. R. Soc. A 372, 20140031 (2014)
  6. J. Luo, L C Tu, C G Shao, et al, Progress in laboratory gravitational experiments in hust group, Int. J. Mod. Phys. D 22, 1360006 (2013)

2013年之前: 
  1. Yang S Q, Zhan B F,Wang Q L, et al. Test of the Gravitational Inverse Square Law at Millimeter Ranges. Phys. Rev. Lett., 2012, 108: 081101;
  2. Tu L C, Li Q, Wang Q L, et al. New determination of the gravitational constant G with time-of-swing method. Phys. Rev. D, 2010, 82: 022001;
  3. Luo J, Liu Q, Tu L C, et al. Determination of the Newtonian gravitational constant G with time-of-swing method. Phys. Rev. Lett., 2009, 102: 240801;
  4. Yang S Q, Tu L C, Shao C G, et al. Direct measurement of the anelasticity of a tungsten fiber. Phys Rev D, 2009, 80: 122005;
  5. Luo J, Shao C G, Wang D H. Thermal noise limit on the period of a torsion pendulum. Class Quantum Grav, 2009, 26: 195005;
  6. Tu L C, Guan S G, Luo J, et al. Null Test of Newtonian Inverse-Square Law at Submillimeter Range with a Dual-Modulation Torsion Pendulum. Phys. Rev. Lett., 2007, 98: 201101;
  7. Tu L C, Shao C G, Luo J, et al. Test of U(1) local gauge invariance in Proca electrodynamics. Phys. Lett. A, 2006, 352: 267-271;
  8. Tu L C, Luo J, Gillies G T. The mass of the photon.Rep. Prog. Phys., 2005, 68: 77-130;
  9. Hu Z K, Guo J Q, Luo J. Correction of source mass effects in the HUST-99 measurement of G. Phys. Rev. D, 2005, 71: 127505;
  10. Luo J, Tu L C, Hu Z K, et al. Reply to“Problems with the rotating-torsion-balance limit on the photon mass”. Phys.Rev.Lett., 2003, 91: 149102;
  11. Zhou Z B, Luo J, Dan Q, et al. New upper limit from terrestrial equivalence principle test for extended rotating bodies. Phys. Rev. D, 2002, 66: 022002;
  12. Luo J, Hu Z K, Fu X H, et al. Determination of Newtonian gravitational constant G with considering the non-linear effect. Phys. Rev. D, 1998, 59: 042001;

   四、研究人员情况

   团队PI:罗俊院士(junluo@mail.hust.edu.cn)
   固定研究人员: 杨山清副教授,邵成刚教授,罗鹏顺教授 
   博士后研究人员: 刘祺,黎卿,何芸,谭文海,王建波,谈玉杰
   博士研究生:刘建平、邾琳、邬俊飞、赵慧慧、杜安斌、杨诗翔、任小芳、丁继华、罗瑞、陈亚芬、秦成刚、王亚杰、路晓宇、王盼盼
   硕士研究生: 何志杰、张宇沛、张林怡、董文粲、徐浩、丁露、安正杰、龚琪龙、付慧星、雷详洲、贾小飞、李素敏

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