不同角动量态原子自由落体普适性的实验检验

Test of equivalence principle is one of the frontier of basic experimental physics. Based on our current research of testing equivalence principle with dual-species atom interferometer ((85)^Rb and (87)^Rb), in this project, we plan to carry out experimental investigation of the universal free-fall (UFF) testing by using the atom (87)^Rb with different total angular momentum states (different F states). In the proposal, two hyperfine ground state of atom (87)^Rb and the dual-species double-diffraction Raman interferometer will be chosen, the differential signal of (87)^Rb with different F states will be individual realized by direct differential measurement with (85)^Rb atomic interferometer which act as a reference in the experiment. The research schemes will promote the technology in this field, and achieve the high-precision measurement. This work will not only develop a technique for indirect differential measurement of atom interferometers, but also will improve the precision of testing UFF with different total angular momentum states.

等效原理检验是当前基础实验物理研究的前沿领域之一。本项目拟在目前(85)^Rb和(87)^Rb双组分原子干涉仪等效原理检验的实验基础上，进一步开展不同总角动量态（不同F态）的(87)^Rb原子自由落体普适性检验实验研究。我们拟采用处在不同F态的(87)^Rb原子作为研究对象；基于双衍射拉曼跃迁技术的双组分原子干涉仪作为研究手段；将不同F态的(87)^Rb原子干涉仪分别与作为参考的(85)^Rb原子干涉仪进行直接差分测量，从而获得不同F态(87)^Rb原子干涉仪间接差分测量数据的方法作为数据提取方式。本方案有望解决当前同类研究遇到的技术瓶颈，达到更高的测量精度。通过该项目的实施，将产生两个方面的积极意义：发展一种高度共模抑制的间接差分测量原子干涉仪实验技术；以优于当前国际最好水平的测量精度对不同总角动量态原子自由落体普适性进行实验检验。

爱因斯坦等效原理是引力理论的核心，其包括弱等效原理。然而，几乎所有试图将引力与标准模型统一起来的新理论都要求等效原理破缺。原子干涉仪对弱等效原理的检验直接与量子力学与广义相对论相关，因而成为弱等效原理的量子检验的有效工具。本项目通过改进四波双衍射方法，选择(85)^Rb 和 (87)^Rb不同角动量态的组合，实现了原子质量与角动量态的联合检验，并给出等效原理破缺系数η的结果。实验的四组测量的统计不确定度从6*10^（-11）到2.5*10^（-10），最终的四种不同的组合的等效原理检验精度均优于5*10^（-10）。与之前采用原子的实验相比，本工作同时开展了对质量和自旋的检验，同时给出了弱等效原理破缺的最新上限。