探测高频引力波的实施方案和建造实验平台的关键性理论

This proposed project is the fundamental research on issues further closer to practical construction of experimental platform, and implementation of direct detection of the high-frequency gravitational waves (HFGWs). The project will be focused on the electromagnetic response to HFGWs (in microwave bands of 10^9 Hz to 10^12 Hz) predicted by recently prevalent typical cosmological models, brane-oscillation scenario, high-energy plasma physics (includes high-energy astrophysical plasma oscillation and large scale controlled nuclear fusion-Tokamak) and so on. The reaserches will be carried out based on theories of General Relativity, contemporary cosmolgy, classical electrodynamic and quntum electronics in curved space-time, classical and quntum effects caused by HFGWs in the electromagnetic systems, and will closely introduce and combine with numbers of research achievements in China which are already achieved and put into practice in recent years (e.g., static high field superconducting magnet over 10 Tesla or higher, detection of weak photon fluxes in GHz to THz bands, matching of wave impedance, three-dimensional fractal, etc). With these theories and experimental conditions, we will investigate series of novel physical effects produced by HFGWs in the three-dimentional electromagnetic synchro-resonance system, especially, such as wave impedance effect, optimal matching of the detection system, frequency response of perturbative photon flux, for signal photon flux and background (noise) photon flux, to provde straight physical foundation and theoreical basis for the possible final realization of the experimental platform construction and direct detection of the HFGWs.

这是一个更加贴近实验平台的建造和实施高频引力波直接探测的基础研究。项目将聚焦于近些年系列典型热点宇宙学模型、膜振荡模型、高能等离子体物理（包括高能天体等离子体振荡以及大型受控核聚变（托卡马克））等预期的微波频带（10^9 Hz to 10^12 Hz）的高频引力波的电磁响应。理论上将基于广义相对论、现代宇宙学、弯曲时空中的经典电动力学及量子电子学，以及高频引力波在电磁系统中的经典效应和量子效应，并密切结合和依托我国近年来已经建成并付诸实施的若干研究成果(10 Tesla 以上超导稳态强磁体，GHz至THz频带弱光子流的探测及其波阻抗匹配，三维分形等)，研究上述高频引力波在三维电磁同步谐振系统中若干新型物理效应，特别是信号光子流和背景光子流的波阻抗效应、探测系统的优化匹配、扰动光子流的频率响应等，为最终可能实施的实验平台的建造和直接探测上述高频引力波提供直接的物理基础和理论依据。

本项目2014年至2017年执行期间，按照项目的宗旨和目标，主要研究了GHz 至 THz频带的高频引力波的电磁探测方案。这些高频引力波包括来自早期宇宙暴涨的原初引力波的高频成分、额外维理论中膜宇宙的高频引力波，以及某些高能天体物理过程所产生的高频引力波。项目比较圆满地执行了既定目标，此外还根据最新动向，完成了对含有额外极化态的高频引力波电磁探测的阶段性工作，相关结果令人满意。项目组完成了上述高频引力波在三维电磁同步谐振系统中的主要物理效应的理论研究，包括在上述系统中信号光子流的强度、分布、波阻抗匹配，以及可能的信号检测方式等，从而为今后可能实施的实验平台的建造和上述高频引力波的直接探测提供了相关的物理基础和理论依据。获得的研究成果如下：首次完成了在对具有额外极化态高频引力波电磁响应的理论研究，发现了一种成功分辨和显示最多六个极化态（张量、矢量和标量模极化）的有效方案和原理；完成了星系背景磁场对来自额外维膜宇宙的高频引力波电磁响应的研究；针对引力波的张量扰动，完成了高频引力波在我们设计的三维电磁同步谐振系统（3DSR）中产生的类-B模式效应研究；完成了脉冲柱面引力波电磁响应的研究；完成了伽玛暴和磁星相互作用所产生的极高频引力波的理论计算。此外，项目组成员进行了十多次国内或国际会议等学术交流活动，在Physical Review D, Nuclear Physics B, European Physical Journal C 等国际权威SCI期刊发表了标注本项目号的论文10多篇。并且，在与国内顶尖的实验装置（中科院强磁场科学中心，以及中山大学、西南交大的弱光检测实验小组）的高技术集成整合的研讨过程中，还完成了对所需要的实验装置设计、参数估计、数值计算等工作。本项目的执行，还培养了青年教师、博士后、研究生的人才梯队，并促进了高频引力波相关的高技术交叉学科间的交流和发展。