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我院引力中心团队在静态引力实验检验中取得系列重要进展
发布时间:2019-03-06

自然界中存在着四种基本相互作用(电磁、弱、强、引力),将引力与其他三种相互作用采用一个统一的理论来描述一直是物理学家们追求的梦想。为此各种理论模型不断被物理学家们提出,如弦理论、超对称理论等。这些理论预言广义相对论的基石——等效原理需要被修改,由此可能导致可观测效应,如弱等效原理的破缺,洛伦兹对称性的破缺等。因此,利用实验检验这些理论模型的破缺为人们提供了探究广义相对论之外的物理新视角。


20181226日,《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了我院引力中心团队在等效原理实验中的最新研究成果:《Test of the Equivalence Principle with Chiral Masses Using a Rotating Torsion Pendulum[Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 261101]。学院2011级博士生邾琳为第一作者,中山大学天琴中心刘祺副研究员和罗俊院士为共同通讯作者。此篇论文介绍了国际上首次采用手征性材料检验等效原理。2019110日,该团队再次在Physical Review Letters》发表了洛伦兹破缺效应研究的最新研究成果:《Combined Search for a Lorentz-Violating Force in Short-Range Gravity Varying as the Inverse Sixth Power of Distance[Phys. Rev. Lett. 122 (2019), 011102]引力中心邵成刚教授为第一作者,罗俊院士、杨山清教授和印第安纳大学V. Alan Kostelecký教授等人为该论文的共同通讯作者,论文介绍了利用引力实验检验与距离成六次方反比的洛伦兹破缺力。


2006年以来,引力中心研究团队就致力于采用精密旋转扭秤检验等效原理。由于引力非常微弱,因而要检验相应的破缺效应需要克服各种干扰因素,难度较大。研究团队利用我校人防山洞实验室天然恒温、振动小、外部干扰少等优越的条件,历时五年完成了原理性实验,再花费七年时间先后解决了转台转速的精密控制、地磁场的屏蔽、背景引力梯度的精确测量补偿等关键技术问题后,将扭秤的噪声本底抑制到了系统的热噪声极限水平。最终,在4.1E-13的水平上首次检验了手征性材料等效原理,达到国际上在地面检验等效原理的先进水平。


在地面实验中,亚毫米尺度下的近距离引力实验为探究纯引力部分的洛伦兹破缺提供了极大的方便。我院引力中心与印第安纳大学一直致力于洛伦兹破缺效应的研究,并在与距离成四次方反比的洛伦兹破缺力检验中取得显著成果[Phys. Rev. Lett.117(2016)071102]在理论分析上,有效场理论表明与距离成六次方反比的洛伦兹破缺力的等效系数有22个独立自由度。然而,任何一个近距离的实验均只能测量13个信号分量,不能同时限制22个破缺系数。引力中心团队2000年以来就致力于采用精密扭秤技术检验两个非常近距离下平板间的牛顿引力定律。经过十几年的努力,该团队将毫米及亚毫米区间上牛顿引力定律的检验均做到了国际领先水平[Phys. Rev. Lett.116(2016)131101]根据HUST-2015的实验结果及印第安纳大学的实验结果(IU-2012IU-2002),对与距离成六次方反比的洛伦兹破缺力系数进行了一个联合数据分析。实现了22个洛伦兹破缺系数的独立测量,在10-12m4的水平下仍然没有观测到洛伦兹破缺效应,这是目前国际上给出的最好的洛伦兹破缺系数限制。该工作是引力中心开展国际合作研究的典型事例。



刘祺副研究员和邾琳博士本科均就读于我院,分别于2003年和2011年保送至引力中心直接攻读博士学位,师从罗俊院士开展精密引力实验研究。邵成刚教授是我院培养多年的优秀青年教师,1999年加入罗俊院士团队从事引力理论与实验研究。两项成果均得到了国家“973计划”、国家自然科学基金、111计划”及华中科技大学等各方面的支持。


论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.261101

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.011102


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