基于高Q值石英丝的扭秤周期法测量万有引力常数G

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1、分类号学号Ｄ２Ｑ１１７７Ｑ１７学校代码１０４８７密级博士学位论文基于高ｇ值石英丝的扭秤周期法测量万有引力常数Ｇ学位申请人：刘建平学科专业：精密测量物理指导教师：罗俊教授副指导教师：杨山清教授答辩日期：２０１８年１２月１曰ＡＴｈｅｓｉｓＳｕｂｍｉｔｔｅｄｉｎＰａｒｔｉａｌＦｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅＲｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｑｔｈｅＤｅｒｅｅｏｆＤｏｃｔｏｒｏｆＰｈｉｌｏｓｏｈｉｎＳｃｉｅｎｃｅｇｐｙＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮｅｗｔｏｎ

2、ｉａｎｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌｃｏｎｓｔａｎｔＧｇ－－ｈｈ－ｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｓｗｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｉｓｉｌｉｃａｆｉｂｅｒｓｇｇｇＰｈ－．Ｄ．ＣａｎｄｉｄａｔｅＪｉａｎＰｉｎＬｉｕ：ｇＭａｏｒ：ＰｒｅｃｉｓｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＰｈｓｉｃｓｊｙＳｕｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＪｕｎＬｕｏｐＣｏ－ＳｕｅｒｖｉｓｏｒＳｈａｎ－ｉｎＹａｎｐ：Ｐｒｏｆ．ＱｇｇＨｕａｚｈｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｇｙＷｕｈａｎ４３００７４Ｐ．

3、Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｆｅｂｒｕａｒ２０１９ｙ，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研宄成果，均己在文。对本文的研究做出贡献的个人和集体中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年彡月＃日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留，ｓ：学、使用学位论文的规定卩校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许

4、论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在＿＿年解密后适用本授权书。本论，文属于不保密“”（请在以上方框内打Ｖ）丨学位论文作者签名：指导教师签名：掌＾ｉ日期：个…０眺，广￣曰华中科技大学博士学位论文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，国际上各个实验小组测得的Ｇ值

5、在误。尤其困扰实验物理学家的是差范围内不吻合，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５５０ｍ。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ｒｏ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。一的扭秤周期法测Ｇ实验研究本课题为两种方法之。本人在博士期间主要参与４研制了２值达到５Ｘ１０的镀膜石英丝，采用该镀膜石英丝开展

6、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一球心间距测量结果的准确性开展了系列实验研究：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ｐｍ；（２）测量了真空容器抽真空前后球间距的变化量为０．０２９ｍ３（）ｐ；（）采用气浮法检验了球体的质心与形心偏．２２６．ｍ离小于０３。最终球心间距测量精度好于０３７，贡献Ｇ值不确定度小于（）―ｐ９．５３ｒｏｍ。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

7、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１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１４１１３２１８４１］１１．６．６７７８乂０！１１＾８，相对不确定度６４１１１。由本小组其他实验人员（）？？Ｇ结１１３４２获得的角加速度法测果为６．６７４４８４７８ｘＫＴｍｋｓ，相对不确定度１１．６１（）ｇＴＯｍ。两种

8、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３（Ｔ误差范围内吻合。关键词：万有引