基于高Q值扭秤檢驗弱等效原理實驗的前期研究.pdf

1、弱等效原理是愛因斯坦廣義相對論的基礎，它指出不同物體在同一引力場中具有相同的加速度，實驗上通過比較不同物體在同一引力場中的加速度是否相同來檢驗弱等效原理。同時，高精度的等效原理實驗可以檢驗與組分有關的新相互作用力，是低能粒子物理的重要前沿之一。目前，地面檢驗弱等效原理實驗精度最高的是華盛頓大學E?t-Wash 小組采用的旋轉扭秤實驗，對水平加速度差的測量精度達到3×10-15m/s2，給出了弱等效原理的檢驗上限η(Be-Ti)<1.8×

2、10-13。通過對E?t-Wash 小組旋轉扭秤實驗的誤差分析表明，限制實驗精度的主要因素為引力梯度效應和扭秤系統(tǒng)的熱噪聲。
　　 本文主要針對這兩方面做了一些前期的計算和實驗研究。首先，利用球諧函數(shù)多級矩展開的分析方法，對引力梯度效應公式進行了推導。扭秤受到引力源的力矩大小可以表示為扭秤引力多級矩和周圍引力多級矩梯度場的耦合。因此，增加扭秤對稱性和外加補償質量，是減小引力梯度效應的主要方法。其次，根據(jù)漲落耗散定理，扭秤的力矩熱

3、噪聲功率譜密度St(f)∝1/Q，其中Q 為扭絲的品質因素，因此提高Q 值是降低熱噪聲的主要途徑之一。通常的扭絲為鎢絲、鈹銅絲等金屬材料，扭秤系統(tǒng)的Q 值約為2000～4000，石英材料較金屬材料具有更高的Q 值，本文進行了高Q 值石英絲的制作與測量，結果顯示直徑在30μm以上的石英絲，其Q 值高達2×105。相比于華盛頓大學使用的直徑為20μm，Q 值為4000的鎢絲，石英絲扭秤的理論熱噪聲極限降低了約6 倍。為解決石英絲不導電問題，