基于高Q值石英丝的扭秤周期法测量万有引力常数G

论文摘要

描述物体间引力相互作用强度的牛顿万有引力常数G是最早被引入的基本物理学常数。由于引力作用微弱和不可屏蔽等原因致使G值测量精度是所有基本物理学常数中最差的。尤其困扰实验物理学家的是,国际上各个实验小组测得的G值在误差范围内不吻合,国际科技数据委员会2014年收录的十四个G值结果之间最大差异达到550 ppm。造成这种现状最可能的原因是这些实验中存在未被发现或正确认识的系统误差。基于这种现状,本实验室提出同时采用扭秤周期法和角加速度法这两种独立方法开展测G实验,目标精度是好于25 ppm。通过比较两种不同方法测量的结果,力求寻找其中可能存在的误差源,进而提高G值测量的置信水平。本课题为两种方法之一的扭秤周期法测G实验研究。本人在博士期间主要参与研制了 Q值达到5 ×104的镀膜石英丝,采用该镀膜石英丝开展测G实验,有效地将该方法中的主要系统误差项滞弹性效应从约212 ppm减小至约6 ppm。围绕提高球心间距测量结果的准确性开展了一系列实验研究:（1）采用改进的支撑系统支撑吸引质量球体,其位置稳定性和抗震动能力经测试好于0.1 μm;（2）测量了真空容器抽真空前后球间距的变化量为0.02（9）μm;（3）采用气浮法检验了球体的质心与形心偏离小于0.23（26）μm。最终球心间距测量精度好于0.37 μm,贡献G值不确定度小于9.53 ppm。此外,详细建模分析了实验中的磁场相互作用,并进行了相应的调制实验,评估出磁场效应对G值的误差贡献小于2.08 ppm。采用球谐函数展开的方法建模分析了背景引力场的影响,实验测量了环境的背景引力梯度,并采用在特定方位放置补偿质量的方法将该效应降低至1ppm以内。为了检验是否存在与实验装置相关的系统误差,在两套装置上先后采用4根石英丝,使用2套扭秤和吸引质量,完成7次G值测量,合成的G值结果为6.674184（78）×10-11 m3 kg-1s-2,相对不确定度11.64 ppm。由本小组其他实验人员获得的角加速度法测G结果为6.674484（78）×10-11 m3kg-1s-2,相对不确定度11.61 ppm。两种独立方法测得的结果均达到目前G值测量的最高精度且在3σ误差范围内吻合。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘建平

导师: 罗俊,杨山清

关键词: 万有引力常数,扭秤周期法,石英丝,误差分析,精密测量

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 华中科技大学

分类号: O314

总页数: 138

文件大小: 10489K

下载量: 213

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