اهمیت اثرات وابسته به ترکیب در جستجوهای نیروی پنجم

شرح دقیق مسئله

معرفی امروزه غالباً فرض می شود که تأثیر گرانش بر جسم مستقل از ترکیب آن است، اما همیشه اینطور نبود. در حالی که گالیله متوجه شد که این تصور که اجسام سنگین‌تر سریع‌تر از اجسام سبک‌تر در میدان گرانشی سقوط می‌کنند، نادرست است، آزمایش‌های او شامل توپ‌های غلتشی با ترکیب‌های مختلف به سمت سطوح شیب‌دار از اثرات سیستماتیک قابل‌توجهی رنج می‌برد. (مراجعه کنید به [1] برای بحث اخیر در مورد آزمایش های گرانشی گالیله.) تقریباً مسلم است که هر آزمایشی که به او نسبت داده می شود اجسام مختلف را از برج پیزا به زمین انداخته است، یا به دلیل هوا نمی تواند به نتایج قانع کننده ای منجر شود. مقاومت. با این حال، او توانست نشان دهد که دو آونگ با استفاده از بدنه های آزمایشی از سرب و چوب پنبه، علیرغم تفاوت قابل توجه در جرم، دوره مشابهی را حفظ کردند. آزمایش گسترده تری از آنچه امروزه اصل هم ارزی ضعیف (WEP) نامیده می شود توسط نیوتن انجام شد که از آونگ هایی با جعبه های پر از طلا، نقره، سرب، شیشه، ماسه، نمک معمولی، چوب، آب و گندم استفاده کرد. او نشان داد که تفاوت در جرم گرانشی و اینرسی آنها یا به طور معادل، اختلاف Δ a در شتاب آنها بود.Δa/g≲10-3، جایی که g شتاب محلی گرانش است [1]. تکنیک آونگ توسط بسل [2] در سال 1832 با استفاده از Fe، Zn، Pb، Ag، Au، Fe 2 O 2 ، سنگ مرمر، خاک رس، کوارتز و H 2 O بهبود یافت که دریافت کهΔآ Δa/g ≲2×10-5[3]. بعدها، در سال 1923، پاتر به دست آوردΔآ Δa/g ≲3×10-6برای موادی از جمله سرب، فولاد، فلوراید آمونیوم، بیسموت، موم پارافین، ماهون و دورالومین [1]، [3]. یک جهش قابل توجه برای آزمایش استقلال ترکیب گرانش توسط یک سری آزمایش بین سالهای 1904 و 1908 توسط Eötvös، Pekár و Fekete (EPF) با استفاده از تعادل پیچشی طراحی شده خود به دست آمد [4]، [5]، [ 6]. آنها با مقایسه 11 ترکیب مختلف مواد دریافتندΔآ Δa/g ≲10-9. از آن زمان، آزمایش‌های WEP با استفاده از تعادل پیچشی بهبودیافته [7]، آزمایش‌های سقوط آزاد [8]، [9]، و اخیراً تداخل‌سنج‌های اتمی [10] و یک ماهواره در مدار (MICROSCOPE) [11] سخت‌تر شدند. ]، [12]. بررسی جامع اخیر آزمایش های گرانش و WEP را می توان در Ref. [13]. در حالی که آزمایش‌های اولیه بررسی WEP بر درک گرانش یا آزمایش نسبیت عام متمرکز بود، که WEP سنگ بنای آن است، این مورد برای آزمایش‌های اخیر صادق نیست. در حال حاضر شواهد زیادی برای صحت نسبیت عام به عنوان نظریه کلاسیک گرانش وجود دارد . درعوض، یک عامل اصلی محرک تست‌های مدرن WEP، جستجوی نیروهای جدید همزیستی با گرانش است که تا حدی توسط تحلیل مجدد آزمایش EPF توسط فیشباخ و همکارانش [14]، [15] انجام می‌شود که با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت. در بخش بعدی اکنون مشخص شده است که بیشتر توسعه‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات، از جمله نظریه ریسمان، به نیروهای وابسته به ترکیب جدید منجر می‌شود. علاوه بر این، بیشتر آزمایش‌های آزمایشگاهی که در جستجوی ماده تاریک هستند، امیدوارند که ماده تاریک با ماده معمولی از طریق برهمکنش‌های غیر گرانشی برهم‌کنش داشته باشد، که احتمالاً به فیزیک جدید نیاز دارد. بنابراین، آزمایش‌های WEP قرن‌ها پس از گالیله و نیوتن در خط مقدم فیزیک بنیادی باقی مانده‌اند. هدف این مقاله بررسی مجدد نتایج آزمایش EPF، دقیق‌ترین آزمایش WEP است که از طیف گسترده‌ای از مواد استفاده می‌کند، برخلاف آزمایش‌های اخیر که معمولاً از یک جفت مواد مختلف استفاده می‌کنند. از آنجایی که مشخصه یک نیروی جدید وابستگی به ترکیب آن است، ما استدلال می‌کنیم که آزمایش‌های جدید که به دنبال نیروهای جدید هستند باید آزمایش‌های قبلی آزمایش گرانش را به یاد بیاورند و از طیف گسترده‌تری از مواد استفاده کنند. این به فرد امکان می دهد تا کوپلینگ های نیروی عمومی تری را بررسی کند و این احتمال را کاهش دهد که طراحی یک آزمایش ممکن است به طور ناخواسته سیگنال مورد نیاز را کاهش دهد.