论文摘要
等效原理是广义相对论的基石,对它的检验有着非常重要的意义,所以从16世纪至今,物理学家们从不同角度,采用不同的方法,不断的来对它进行实验检验。轴子理论和轴子的探测是当今理论物理学和天文学领域研究的热点。分子手性的研究和应用在新世纪具有十分广阔的前景。非常有意思的是我们研究的课题居然就在这三个方面探索的交汇处。除了物体的质量,物质的组成成分,宏观物体的旋转,物质的极化等性质不同外,物质的手性不同也有可能引起等效原理的破缺。手性物质和非手性物质间由轴子传递的宏观力是破坏宇称的。采用手性物质作为检验物质来对等效原理进行实验检验是一种实际可行的新想法。因此,理论上研究这种力的性质和定量计算力的量级对等效原理的实验检验是必要的。本文作者在刘中柱教授的悉心指导下围绕着“手性分子和手性晶体与无手性物质之间由交换轻赝标量粒子（轴子）而诱导产生的手性依赖的宏观力对等效原理检验的可能破坏”进行了如下几个方面的研究:（1）研究了手性宏观力这一课题相关领域的研究背景和最新进展;深入学习高等量子力学,量子场论,粒子物理和标准模型等专业课程,验算性推导费米子间由轴子传递的相互作用势能公式,标量顶角和赝标量顶角表达式和自旋求和公式等。（2）由扰动理论,在绝热近似、晶体场近似和单电子近似下,给出了手性物质（手性分子和手性晶体）中的价电子和无手性的物质（铜块）中的核子之间由传递轴子而产生的手性依赖的宏观力的表达式。它实际上是一种二阶效应,类似于手性分子液体或手性晶体旋光本领。它是一种新的与物质手性相关的力:如果把手性物质换为具有相反手性的物质,此力的符号将反号,即力的方向将反向。据此,当检验质量为手性物质,而源质量为无手性物质时,这种力可能破坏等效原理。（3）为了展示这种力可能的物理效应且有效估计它的量级,我们结合具体可能的实验情况,对具体的无手性物体（铜块）与手性物质（手性分子或手性晶体）之间的宏观力进行了定量的计算。由于宏观力表达式中矩阵元乘积的实和项的计算很复杂且是模型依赖的,因此要寻找适当的简单的模型,采用合理的近似方法,才能对这种宏观力进行有效的计算和估计。计算包含两种情况:a采用近似方法（绝热近似,单电子近似,中心场近似）,定量的计算了无手性铜块与理想立方容器中纯手性分子液体之间的由交换轻赝标量粒子（轴子）而诱导产生的宏观力。b根据固体物理、空间群理论和量子化学等理论,采用近似方法（绝热近似,单电子近似,晶体场近似）,定量的计算了无手性的铜块与α-石英之间交换轻赝标量粒子（轴子）的相互作用力。根据目前已发表的对标量-赝标量耦合常数的限制,我们估计了这些力的量级范围,发现这些力的量级仍然远低于目前先进的弱力探测工具（超导扭秤）的探测范围。我们进一步分析了研究过程中所运用的计算方法和得到的结果,探讨了这种力对引力实验和等效原理检验的可能影响。（4）最后,国际上已有实验用顺磁盐作为检验质量来探测轴子传递的宏观力,他们在理论使用简单的有效势来计算宏观力,且根据他们的实验结果和实验精度给出了轴子与物质耦合的强度的限制。我们认为他们采用的有效势不一定能恰当的代替真实的情况。所以我们实事求是的研究了顺磁盐TbF3与铜块间的标量—赝标量作用的有效势。我们根据类氢原子的束缚态波函数,相应的计算了顺磁盐TbF3和铜块间的由轴子传递的相互作用的有效势。
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