基于精密旋转扭秤的弱等效原理实验检验

The most crucial founding principle of general relativity is the Einstein equivalence principle, whose core ingredients are the weak equivalence principle and local Lorentz invariance. Our deeper understanding of the nature of gravity depends on the strong support for these basic principles from experiment. The high precision experimental test for weak equivalence principle has always been an internationally hot topic and leading subject. As almost all of the theories, attempting to link gravity with the other three fundamental interactions, require the break of weak equivalence principle, testing the weak equivalence principle has an important scientific significance. This project intends to use the rotating torsion balance method to test the weak equivalence principle, and use quartz crystals with left spin and right spin as the test masses to look for the possible interactions related to chirality. Currently, we have conducted a preliminarily experimental measurement. Based on this, the project intends to do a series of experimental improvements, including using the more low-loss quartz fibers, and further measuring, shielding and reducing the background factors, and eventually test weak equivalence principle at a precision less than or equal to 1×10^-13. Continuing to perform the experimental verification for weak equivalence principle will not only help to promote the major revolution in physically basic theory, but also conducive to the improvement of physically experimental technology.

爱因斯坦等效原理是广义相对论的基石，它的核心是弱等效原理与局域洛伦兹不变性。我们对引力本质的更深层理解，取决于实验对这些基本原理的强大支持。对弱等效原理的高精度实验检验一直是国际上的前沿课题和热点，几乎所有试图将引力和其他三种基本相互作用联系起来的理论都要求弱等效原理的破缺，弱等效原理的实验检验具有重要的科学意义。本项目拟采用旋转扭秤法检验弱等效原理，同时使用左右旋石英晶体作为检验质量，寻找可能存在的与手性相关的相互作用。目前我们已经采用旋转扭秤法进行了初步的实验测试，本项目拟在此基础上，对实验进行一系列的改进，包括使用更低损耗的石英丝，及对背景环境干扰因素的进一步测量、屏蔽与降低，并最终在小于或等于1×10^-13精度上检验弱等效原理。继续开展等效原理的实验验证工作，不但将有助于推动物理学基本理论的重大革命，也有利于物理学实验技术的改进和提高。

引力质量和惯性质量的等价性，一般被称为等效原理，是爱因斯坦广义相对论等度规引力理论的基础。然而，由于一些理论模型预言存在新粒子或相互作用从而导致等效原理出现破缺，例如与组成成分相关的力，弦理论中的伸缩子，超对称理论中的玻色子，甚至暗物质粒子等。因此，对等效原理的检验也可以看作是对可能存在的新粒子或相互作用等“新物理”的探索。而且，对引力本质的更深层理解，也取决于实验对这些基本原理的强大支持。对等效原理的高精度实验检验一直是国际上的前沿课题和热点，人们采用各种不同的实验方法和技术手段（单摆，扭秤，自由落体，原子干涉，地月激光测距等）在尽可能高的目标精度下对等效原理进行检验。这里，我们采用旋转扭秤方法来检验弱等效原理，采用手性检验质量（左右手性石英晶体）来寻找由于引力宇称破坏可能导致的等效原理破缺。为了给出可靠的检验结果，我们详细地评估了包括重力梯度、磁场、温度和旋转环境等在内的系统效应。结果显示不同手性检验物体在地球引力场中下落，加速度差对应的Eötvös破缺系数为η=[-1.2±2.8(stat)±3.0(syst)]×10^(-13)。这也是国际上首次进行的高精度手性材料等效原理的实验检验，为寻找可能的引力宇称破缺开辟了一条新途径。