基于两个路径上内态不同Raman干涉仪的原子内态弱等效原理检验研究

The weak equivalence principle (WEP) is an important scientific issue in fundamental physics research. Whether it is valid or not depends only on high-precision experimental test. Among them, different-internal-states related WEP test plays an important role in fundamental physics research, and it gives important scientific significance for studying the coupling between atomic state and gravity, and the quantization of gravitation. The previously all WEP tests on atoms in different internal states did measure the gravity accelerations separately, and then compare to see the difference, during interferometry, atoms always keep in the same internal state. In this project, we propose to use a Raman atom interferometer which changes the internal state in different paths during the measurement process, to test atomic-internal-states related WEP, this can not only directly perform different-internal-states related WEP test, but can also improve the test precision substantially. Through the implementation of this project, it is possible to test whether the WEP on atoms in different internal states is valid at a higher precision, and shining a light on the research of quantum gravitation.

弱等效原理是涉及物理学根本的重要科学问题，其成立与否只能依赖高精度的实验检验。其中，不同内态原子的弱等效原理检验是当今基础物理研究的热点前沿，对探索原子内态与重力的耦合、引力的量子化等具有重要的科学意义。以往不同内态原子弱等效原理检验都是分别测量原子在两个内态的加速度然后比较其差别，测量过程中原子始终处在同一内态。本项目提出，利用测量过程中两个路径上内态始终不同的Raman原子干涉仪，不仅可以直接进行不同内态原子的弱等效原理检验，还能大幅提高检验精度。通过本项目的开展，可以在更高精度上检验不同内态原子弱等效原理是否成立，为引力的量子化研究提供实验参考。

基于不同内态原子的弱等效原理检验对探索原子内态与重力的耦合、引力的量子化等具有重要的科学意义。本项目基于拉曼型马赫-曾德尔干涉仪，利用两个路径上内态始终不同的特征，在单个干涉仪中直接进行不同内态原子的弱等效原理实验检验。根据详细的理论推导，获得了弱等效原理破缺信号的理论表达式。在实验上进行了不同内态弱等效原理的检验研究，经过详细系统误差评估后给出的检验结果为(0.9±2.9)×10^-11, 即在2.9×10^-11检验精度上未观测到与原子内态相关的弱等效原理破缺。此外，为抑制重力加速度效应，实验上采取了调制Raman光波矢方向进行共模测量的手段。因而，磁场梯度效应等与波矢方向无关的效应需要进行仔细评估。受此需求驱动，发展了基于光学Ramsey干涉仪的真空中绝对磁场原位测量方法，相比于传统的扫描Raman谱方法，不仅可以提高磁场测量精度，而且通过速度选择还可以提升磁场测量的空间分辨率。此方法为原子干涉相关实验研究中提供了一种磁场的测量新手段。