原子干涉仪等效原理检验中引力梯度效应的理论研究

A high precision test of the equivalenc principle is significant for verifying the Einstein's general relativity and for searching for new interations.The equivalence principle has been tested by many traditional experiments in several parts in 10^(13), which are main limited by the terrestrial environment noises and gravity gradient. Recently, with the development of atom interferometry technology, it provides a new method to test the equivalence prinple to achieve a higher precision on the ground. The gravity gradient effect is a main systematic error in this new method. In this program, this systematic error in an atom interferometer to test the equivalence principle will be theoretically studied.And then,the methods used to reduce gravity gradient effect will be studied too,in order to limit the gravity gradient effect to 10^(-13).The research of this topic can not noly theoretically estimate the gravity gradient effect, but also can provide suggestions for experiments to reduce it.

高精度地检验等效原理不管是对验证爱因斯坦广义相对论还是对寻找新的相互作用力都很重要。目前，采用传统的检验方法，等效原理的地面检验精度最高为10^(-13)，主要受到地球引力梯度和地脉振动等因素的限制。原子干涉技术的发展，为人们提供了一种在地面上实现更高精度等效原理检验的新方法。引力梯度在这种新方法中也是限制实验精度的主要因素。本项目拟对原子干涉仪等效原理检验中的引力梯度效应及其抑制方法进行理论研究，以使其对实验检验精度的影响能被抑制在10^(-13)及以下。这一项目的研究不仅可以从理论上给出引力梯度效应对实验影响的估计，还可以对如何在实验中抑制引力梯度效应进行进行理论指导。

高精度地检验等效原理不管是对验证爱因斯坦广义相对论还是对寻找新的相互作用力都很重要。目前，采用传统的检验方法，等效原理的地面检验精度最高为10^(-13)，主要受到地球引力梯度和地脉振动等因素的限制。原子干涉技术的发展，为人们提供了一种在地面上实现更高精度等效原理检验的新方法。引力梯度在这种新方法中也是限制实验精度的主要因素。本项目对原子干涉仪等效原理检验中的引力梯度效应及其抑制方法进行了理论研究，以使其对实验检验精度的影响能被抑制在10^(-13)及以下。我们通过求解原子轨迹的测地线方程，结合路径积分计算，推导得到了引力梯度效应的详细的各阶公式；结合实际的实验参数对各阶公式进行了计算，得到了我们实际的实验条件下，导致等效原理检验精度大于10^(-13)的相关项，从而为未来的实验设计和指标分解打下了基础。我们对局部重力补偿的方案进行了建模和详细的计算，并得出了一些结论，同时也开展了局部重力补偿的相应的仿真工作；我们也对原子团的重合程度进行了测量，同时也开展了引力梯度测量的工作，两者相结合可以对引力梯度导致的系统误差进行精确的计算，从而可以提高相应弱等效原理的检验精度；发展了引力梯度场调制方案，并与实验相结合，实现了该方法在理论与实验结果上的相互佐证，为10^(-13)量级等效原理检验中引力梯度场修正提供了有效的方法。这一项目的研究不仅可以从理论上给出引力梯度效应对实验影响的估计，还可以对如何在实验中抑制引力梯度效应进行进行理论指导。