重庆大学, 中科院强磁场科学中心, 中山大学 报告人： 李芳昱 2014年4月 北京 重庆大学, 中科院强磁场科学中心, 中山大学 报告人： 李芳昱 2014年4月 北京

The South Pole Telescope 暴涨模型原初引力波在微波背景上产生的B-mode的观测 The South Pole Telescope

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大爆炸宇宙学模型 原初引力波的直接探测 4

P. A. R. Ade, et al. arXiv:1403.3985v2 5

引力波频谱 我们的目标：在高频段（109 Hz to 1012 Hz）实现引力波的直接探测，并与中低频带的引力波探测具有很好的互补性。 The most Important target ? L.P. Grishchuk, arXiv, gr-gc/0504018

By Prof. Ni Wei-Tou

科学意义 引力波探测是世界十大前沿科学目标之一。其直接探测， 是对爱因斯坦广义相对论的终极验证; 可望打开一个不同于电磁波作为载体的全新信息通道; 检验系列热点宇宙学模型和高能天体物理效应； 开启引力波天文学的新纪元；

我们的时空观，运动观，物质观，宇宙观将发生深刻的变化， 从而给我们展现一个更加丰富多彩，壮观深邃的宇宙. 并开创从电磁波到引力波的崭新时代， 从而给我们展现一个更加丰富多彩，壮观深邃的宇宙. 引力波 ?！ 观测宇宙的新视野 未来的引力波天文学

国内外现状 自上世纪七十年代以来， 引力波的直接实验观测研究经历了几个阶段： 1：Weber棒阶段（上世纪七十年代以来）， 观测对象：中频引力波 2：激光干涉仪阶段（目前仍在发展中）， 观测对象：中低频引力波 3: 观测微波背静上的极化效应，（近期报道已有重大突 破） 观测对象：极低频的原初引力波 4：电磁效应检测阶段（部分实验方案已开始运行）， 观测对象：高频引力波

国内外现状, 中频引力波探测，质量谐振探测器 from 1970s up to now, h ~ 10-21 to 10-22, ~ 1000 Hz

国内外现状 位于美国路易斯安那州利文斯敦的LIGO h ~ 10-22 to 10-23 中频引力波探测，激光干涉引力波天文台（美国） ~1 Hz ~ 1000 Hz 位于美国路易斯安那州利文斯敦的LIGO

国内外现状 德国的GEO，臂长600米 h ~ 10-20 to 10-21 中频引力波探测，激光干涉引力波天文台（英，德） ~1Hz to 1000 Hz 德国的GEO，臂长600米

LISA 国内外现状 臂长： 500万公里 低频引力波探测，激光空间引力波天线（ 拟建） h ~ 10-20 to 10-21 ~10-4 Hz to 1 Hz

Why go to higher frequencies? Other branches of astronomy developed through multi-frequency observations For frequencies >1 MHz Cosmological signals from the Planck era. KK mode oscillations in higher dimensions EMW-plasma instabilities generate GW’s Other possible thermal gravitational wave sources.

Leonid P. Grishchuk V.B. Braginsky Robert M L Baker, Jr. Kip Thorne

膜振荡模型预期的高频引力波 [1] C. Clarkson and S. S. Seahra, Class. Quantum Grav. 24, F33 (2007). [2] S. S. Seahra, C. Clarkson, and R. Maartens, Phys. Rev. Lett. 94, 121302 (2005). [3] A. M. Cruise, Class. Quantum Grav. 17, 2525 (2000). [4] R. Ballantini et al., arXiv:gr-qc/0502054 (2005). [5] A. Nishizawa et al., Phys. Rev. D 77, 022002 (2008). [6] F. Y. Li and and R. M. L. Baker, Jr., Int. J. Mod. Phys. B 21, 3274 (2007)

引力波可以从一个膜辐射到另一个膜 频率越高，辐射越强

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国内外现状 Birmingham University, Birmingham, England 高频引力波探测，环型波导方案（英国） h ~ 10-16 to 10-20 ~108 Hz Birmingham University, Birmingham, England

国内外现状 高频引力波探测，双球型耦合腔（意大利） h ~ 10-22 to 10-23 ~108 Hz

基于强磁场和弱光子流检测的 高频引力波探测系统 依托于我国近年来的超导稳态强磁场，和弱光检测等重大研究 成果，实现高新技术的集成创新，构建一个对高频引力波的直 接探测系统。 发展并促进相关高新技术的集成创新及应用：强磁场技术、弱 光探测等学科的交叉和应用。 为国内引力波和宇宙学研究提供一个重要的实验平台。

科学意义, 科学目标 实现在 10 9 Hz 及其以上的频带，对宇宙学和高能天体物理过程预期的引力波的直接探测； 科学意义, 科学目标 实现在 10 9 Hz 及其以上的频带，对宇宙学和高能天体物理过程预期的引力波的直接探测； 瞄准和探测当今系列热点宇宙学模型和某些高能天体 物理过程等预期的高频引力波，为相关重大热点课题 提供可能的实验判据： 暴涨宇宙模型，膜世界模型，高能天体物理过程中热等离子体与强电磁波的相互作用，以及某些热引力波模型和目前尚不完全清楚的新物理效应； 用引力波作为观测宇宙和天体物理过程的全新窗口和 信息通道。

研究团队 参与单位还包括： 西南交通大学 中国科技大学 中国工程物理研究院（五所） 美国路易斯安娜州立大学 美国奥斯汀高等学术研究所 高频引力波探测 参与单位还包括： 西南交通大学 中国科技大学 中国工程物理研究院（五所） 美国路易斯安娜州立大学 美国奥斯汀高等学术研究所

国内外现状 本方案：高频引力波探测，基于强磁场和弱光检测的三维同步谐振方案 （国际同行称为 3DSR ） 总体方案 Aimed frequency ~109 ~1012 Hz even higher, h ~ 10-21 to 10-26 even higher

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本方案预期的灵敏度要高出英、意方案 3 至 4 个量级，且唯一对准 109 Hz 及其以上频段的高频引力波 . 国际上几种典型的高频引力波电磁探测系统 A.M. Cruise, Class. Quantum Grav. 17, 2525(2000); R. Ballantini et al., arXiv: gr-qc/0502054 (2005) J. Li, et al., Gen.Relativ.Gravit. 43, 2209 (2011)

原理图, 在强磁场背景中高斯型微波光子流对高频引力波 的谐振响应。

3DSR探测方案形成的主要论文基础： where , F.Y.Li et al., Phys.Rev.D 67, 104008(2003); M.L. Tong, Y. Zhang, F.Y. Li, Phys.Rev.D 78:024041(2008) ； F.Y.Li, et al, Eur.Phys.J.C 56, 409 (2008)； F.Y. Li et al., Phys.Rev.D, 80, 064013(2009): J. Li, et al, G.R.G, 43, 2209 (2011); H. Wen, F.Y. Li, Z.Y. Fang, Phys.Rev.D(2014), accepted, to be published H. Wen, F.Y. Li, Z.Y. Fang, arXiv:1403.7277 (2014), submitted to Eur.Phys.J.C. where ,

Because the PPF Propagate along opposite direction in the outgoing and imploding wave regions, their total momentum vanishes. This property ensured conservation of the total momentum in the coherent resonance interaction 35

Krauss L. M., Dodelson S., & Meyer S. 2010, Science 328, 989 Li F. Y., Tang M. X., & Shi D. P. 2003, Phys. Rev. D 67, 104008 36

F. Y. Li, R. M. L. Baker, Z. Y. Fang, G. V. Stephenson and Z. Y F.Y.Li, R.M.L. Baker, Z.Y.Fang, G.V.Stephenson and Z.Y.Chen, Euro.Phys.J.C 56, 407 (2008) 37

1. 对宇宙弦脉冲柱面引力波的电磁响应的理论计算及其实验上的可探测性 ： 2. 对膜宇宙模型中高频引力波电磁响应的理论研究和实验探测方案。 高频引力波探测的近期相关工作： 1. 对宇宙弦脉冲柱面引力波的电磁响应的理论计算及其实验上的可探测性 ： 2. 对膜宇宙模型中高频引力波电磁响应的理论研究和实验探测方案。 38

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拟研制科研仪器设备, 可购置或集成的部分 集成部分：稳态强磁场系统，弱光检测集成系统，背景高斯束，信号数据分析处理系统，超导电源（自行设计并联系国内相关资质的企业生产），探测系统器件封装和测量电路（包括前置、后置放大器，SQUID磁通锁定环）。 购置部分: 用于高场磁体的制冷机（整体购买）, 用于弱光检测的极低温稀释制冷机系统，（低温超导薄膜器件）集成系统,如超高真空磁控溅射和电子束蒸发镀膜仪、紫外光刻和电子束曝光机，反应离子刻蚀机，切片机，微波测试仪器等等。

拟研制科研仪器设备, 拟重点攻克的主要部分 根据本项目自主创新理论： 拟研制科研仪器设备, 拟重点攻克的主要部分 根据本项目自主创新理论： 设计并研制三维同步谐振强磁场系统及相关技术参量（600mm孔径、10T超导磁体），实现对引力波谐振响应和强磁场的有效耦合，以获得高频信号光子流输出； 实现信号光子流的选择性接收，利用低温超导技术实现109 Hz 以上弱光子流可靠检测； 实现上述强磁场和弱光检测系统的优化集成，处理大量实验观测数据实现高频引力波信号的甄别提取。

拟研制科研仪器设备, 创新点和总体水平 原理自主创新： i，提出了在稳态磁场中高斯型微波光子流对高频引力波的同步谐 拟研制科研仪器设备, 创新点和总体水平 原理自主创新： i，提出了在稳态磁场中高斯型微波光子流对高频引力波的同步谐 振效应（Li-effect），据此设计本项目的高频引力波探测系 统； ii，揭示了本系统的局部区域内信号光子流和背景光子流具有非 常不同的物理行为：传播方向，分布，波阻抗，极化，衰减率等，据此设 计的本系统，对探测高频引力波具有高的灵敏度和很低的标准 量子极限； iii，首次从理论上预期了对信号光子流的低波阻抗特性（比背景 噪声光子流至少小5个量级）, 从而为分辨信号光子流和背景光子 噪声提供了独特、有效的新方案；

拟研制的高频引力波探测系统 技术集成创新：将稳态强磁场系统，背景高斯束和弱光探测系统构建成高灵敏度的高频引力波探测系统； 独到设计思想：可实现宽频带探测（109-1014Hz），可同时瞄准多个具有重要科学意义的高频引力波源。利于分段实施，具有小型化，前瞻性，较低建设成本和较短建设周期等特色； 总体水平：具有比英、意现行方案高出3到4个数量级的高灵敏度（ Δh ~ 10 -23 至 ~10 -26 甚至更高），可以达到直接探测膜世界模型和某些高能天体物理过程所预期的高频引力波的要求。

在2007年第二届国际高频引力波会议（美国，德克萨斯）上，本项目负责人作了一个半小时的特邀报告，后经美，英，俄，意，中与会学者一个星期的反复论证，本方案的原创思想已被审定为美国高频引力波科学团队设计微波频带高频引力波探测方案的支撑性原理和物理基础。

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预期目标, 科学目标 第一步，达到探测膜振荡模型预期的宇宙高频引力波振幅上限的灵敏度: 预期目标, 科学目标 第一步，达到探测膜振荡模型预期的宇宙高频引力波振幅上限的灵敏度: h ~ 10-21 至 10-22，　Δν ~ 109 Hz 至 1014 Hz ； 第二步，达到探测高能天体物理过程（热等离子体振荡等）预期的高频引力波振幅上限的灵敏度: h ~ 10-24 至 10-26，　Δν ~ 109 Hz 至 1012 Hz ； 第三步，力争接近并达到探测宇宙原初高频引力波上限的灵敏度: h ~ 10-29 至 10-30，　Δν ~ 109 Hz 至 1011 Hz ；

预期目标, 应用目标 基于 8 - 10 Tesla 强磁场平台进行相关学科的实验研究； 预期目标, 应用目标 基于 8 - 10 Tesla 强磁场平台进行相关学科的实验研究； 基于10 9 Hz 至 10 14 Hz 弱光子流检测平台的相关学科实验研究； 在强磁场和高频弱光子流探测平台上实现凝聚态物理， 材料科学，光电工程，微波技术等学科的交叉和研究； 高层次创新型人才的培养。

已有基础, 近十余年来，本项目理论研究团队在国际著名学术刊物（Physical Review Letters, Journal of High Energy Physics, Physical Review D, Europe Physical Journal C, General Relativity and Gravitation, Classical and Quantum Gravity, Physics Letters B, Journal of Modern Physics B 等）发表引力波及其与高能物理，粒子物理交叉的研究论文 140 余篇；其中一些已被国际同行认可为高频引力波理论及实验探测的原创性工作； 本项目理论研究团队近十年来主持了自然科学基金和中国工程物理研究院科学基金 14 项，并参加了 973 项目和国家自然科学基金重点项目； 本项目组有一支具有开拓精神的老、中、青学术队伍，有的已有在美国LIGO 数据分析研究小组有工作两年以上的经历，有的仍在欧、美著名高校和科研机构从事引力物理或极弱信号处理方面的研究和学习。

已有基础 理论基础 理论研究人才队伍（平均年龄 ~ 42岁）， 已有基础 理论基础 理论研究人才队伍（平均年龄 ~ 42岁）， 李芳昱 教授，博导，莫斯科大学高级访问学者。历任中国物理学会理事，中国引力与相对论天体物理学会理事，重庆市物理学会理事长。 方祯云 教授，博导。比利时新鲁汶大学物理学哲学博士，历任 两届中国物理学会高能物理分会常务理事。重庆大学理论物理研 究所所长。 吴兴刚 教授，博导。中科院理论物理研究所博士，博士后， 斯坦福大学线性加速器中心（SLAC）高级访问学者，中国物理 学会高能物理分会理事。重庆大学理论物理研究所副所长。

五. 已有基础 1. 理论基础 理论研究年轻人才梯队， 五. 已有基础 1. 理论基础 理论研究年轻人才梯队， 李瑾，1983年生，国家公派中美（LIGO数据处理小组）联合培养博 士， 副教授，硕士生导师。 王少明，1982年生，中国科技大学博士，博士后。 文毫， 1981年生，国家公派中英（ ISVR声学与振动研究所）联合培养博士。 杨楠， 1980年生，国家公派中美（LIGO数据处理小组）联合培养博士。 本项目理论研究团队的博士生培养，已获得2012年教育部首 批评选的全国20个博士生联合培养典型示范案例之一，这一 项目的开展将会进一步推进高水平的人才梯队的培养。

已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员主持的部分自然科学基金项目 已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员主持的部分自然科学基金项目 “探测高频引力波观测的实施方案和建造实验平台的关键性理论”（国家自然科学基金，2014-2017, 11375279; ）， “高频引力波观测的前期理论研究”（国家自然科学基金， 2011-2013，11075224）， “高频遗迹引力波和超短引力辐射脉冲的电磁响应”（国家自然科学基金, 2006-2008，10575140）， “引力波在电磁系统中的经典效应和量子效应”(国家自然科学基金， 2002-2004，10175096) ， “高频引力波探测的量子效应” (中国工程物理研究院科学基金, 2008-2010, 2008T0402) ， “高频引力波电磁探测的前期理论研究”（中国工程物理研究院科学基金，2008-2010, 2008T0401）， “高频引力波探测系统的信号特性及噪声研究”，国家自然科学基金 ( 青年项目，11205254 )， “河内及大小麦哲伦云中晚型星的尘埃壳层研究”，国家自然科学基金（10803023），2009-2012， •“太阳活动的混沌、分形特征研究” ，（国家自然科学基金，2011-2014，11004257）， •“第九期理论物理专题讲习活动”，（国家自然科学基金，2013-2013，11247603）， •“ LHC上单个超对称粒子产生的现象学研究”（国家自然科学基金,2013-2015，11205255) ， •“重味粒子微扰以及非微扰效应的研究”，（国家自然科学基金，2009-2012， 10805082）， • “重味物理与QCD求和规则的研究” ，（国家自然科学基金，2011-2014，11075225）， • “高能物理重整化能标的设定及应用” ，（国家自然科学基金，2013-2016，11275280）， • “有效场论和精确电弱分析的新物理研究”（国家自然科学基金，2013-2015，11247031）. 项目组提倡学科交叉与融合，促进学科发展 ，如高频引力波与粒子物理的交叉: Revisiting the real graviton effects at CERN LHC within the quantum gravity theory with large extra dimensions, Physical Review D 78 (2008), 094002（欧洲强子对撞机LHC产生的高能引力子及其相关的物理效应）

已有基础, 理论基础, 重庆大学物理学科已进入基本科学指数（ESI）全球物理学科前 1%, 其中, 近年来本项目组成员发表的部分理论研究论文如下: 1. F.Y. Li, N. Yang, Z.Y. Fang, R.M.L. Baker, G.V. Stephenson and H. Wen, Signal photon flux and background noise in a coupling electromagnetic detecting system for high-frequency gravitational waves, Physical Review D 80 (2009), 064013-1-14. arXiv:0909.4118[gr-qc](2009). 2. F.Y. Li, M.X. Tang and D.P. Shi, Electromagnetic response of a Gaussian beam to high-frequency relic gravitational waves in quintessential inflationary models, Physical Review D 67 (2003), 104008-1-17 3. F.Y. Li and M.X. Tang, Electrodynamical response of a high-energy photon flux to a gravitational wave, Physical Review D 62 (2000), 044018-1-9 4. F.Y. Li, R.M.L. Baker, Z.Y. Fang, G.V. Stephenson and Z.Y. Chen, Perturbative photon fluxes generated by high- frequency gravitational waves and their physical effects, Europe Physical Journal C, 56 (2008), 407-423 5. M.L. Tong, Y. Zhang and F.Y. Li,Using a polarized maser to detect high-frequency relic gravitational waves, Physical Review D 78, (2008), 024041-1-10 6. M.X. Tang and F.Y. Li, Circular wave guige: a possible gravitational wave antenna.Classical and Quantum Gravity 17 (2000), 2447 7. F.Y. Li and M.X. Tang, Electromagnetic detection of high-frequency gravitational waves. International Journal of Modern Physics D 11(7) (2002), 1049-1059 8. F.Y. Li and R.M.L. Baker, Detection of high-frequency gravitational waves by superconductors. International Journal of Modern Physics B 21 (2007), 3274-3278. 9. J. Li and K. Lin and F. Y. Li and Y. H. Zhong, The signal photon flux, background photons and shot noise in electromagnetic response of high-frequency relic gravitational waves, Gen.Relate.and Gravit, 43 (2011) 2209 10. X.G. Wu and Z.Y. Fang, Revisiting the real graviton effects at CERN LHC within the quantum gravity theory with large extra dimensions, Physical Review D 78 (2008), 094002-1-7 11. Jia-Wei Zhang, Zhen-Yun Fang, Chao-Hsi Chang, Xing-Gang Wu, Tao Zhong, Yao Yu Hadronic production of B(*)(s) at TEVATRON and LHC. Physical Review D 79,114012(2009). 12. X.G. Wu , Z.Y. Fang Dominant Spin-Flip Effects for the Hadronic Produced J/psi Polarization at TEVATRON. Physical Review D 80,034010(2009).

已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员发表的部分理论研究论文 已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员发表的部分理论研究论文 13. X.G. Wu , et al., Eliminating the renormalization scale ambiguity for top-pair production using the Principle of Maximum Conformality, Physical Review Letters 109，042002 (2012). 14. F. Y. Li, H. Wen and Z. Y. Fang, High-frequency gravitational waves and contemporary cosmology, Physics, 41(2012) 643-647 15. R. C. Woods*, R.M.L. Baker, F.Y. Li, G.V. Stephenson, E.W. Davis and A.W. Beckwith, A new theoretical technique for the measurement of high-frequency relic gravitational waves, Journal of Modern Physics, 2(2011), 498-518 16. X.G. Wu , C. H. Chang, Y.Q. Chen, and Z.Y. Fang, The meson Bc annihilation to leptons and inclusive light hadrons>>  Physical Review D 67, 094001 (2003). 17. C.H. Chang, J.X. Wang, and X.G. Wu., Hadronic production of the p-wave excited Bc-states B*(cj, l=1)>>  Physical Review D 70, 114019 (2004). 18., C.H. Chang, C.F. Qiao, J.X. Wang, and X.G. Wu , The color-octet contributions to p-wave Bc meson hadroproduction >>  Physical Review D 71, 074012 (2005). 19. C.H. Chang, C.F. Qiao, J.X. Wang, and X.G. Wu , Hadronic production of Bc (B*c) meson induced by the heavy quarks inside the collision hadrons Physical Review D 72, 114009 (2005). 20. C.H. Chang, J.X. Wang, and X.G. Wu, Production of Bc or \bar{B}c and its excited states via \bar{t}-quark or t-quark decays , Physical Review D 77, 014022(2008). 21. C.H. Chang and X.G. Wu, Uncertainties in estimating hadronic production of the meson Bc and comparisons between Tevatron and LHC>>Eur.Phys.J. C38, 267 (2004). 22. Z. Yang, X.G. Wu et al., Bc Meson Production around the Z0 Peak at a High Luminosity e+e−Collider>> Physical Review D 85, 094015 (2012) 23. C.H. Chang,  C Driouichi, Paula Eerola and X.G. Wu , BCVEGPY: an event generator for hadronic production of the Bc meson>>, Comput.Phys. Commun.159, 192 (2004). 24. C.H. Chang, J.X. Wang, and X.G. Wu, BCVEGPY2.0: an upgrade version of the generator bcvegpy with an addendum about hadroproduction of the P-wave Bc states >>, Comput.Phys. Commun.174, 241 (2006) .

已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员发表的部分理论研究论文 已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员发表的部分理论研究论文 25. C.H. Chang, J.X. Wang, and X.G. Wu, An upgrade version of the computer program BCVEGPY2.0 for the hadronic production of Bc meson>> Comput. Phys. Commun.175, 624 (2006). 26. C.H. Chang, J.X. Wang, and X.G. Wu., GENXICC: A Generator for hadronic production of the double heavy baryons Xicc, Xibc and Xibb>>Comput.Phys.Commun.177, 467 (2007). 27. C.H. Chang, J.X. Wang, and X.G. Wu, GENXICC2.0: An Upgraded Version of the Generator for Hadronic Production of Double Heavy Baryons $Ξ_{cc}$, $Ξ_{bc}$ and $Ξ_{bb}$, Comput.Phys.Commun.181, 1144 (2010). 28. J.W. Zhang, Z.Y. Fang, C.H. Chang and X.G. Wu , et al., Hadronic production of B*s at Tevatron and LHC>>  Physical Review D 79, 114012 (2009). 29. X.G. Wu and Z.Y. Fang, Dominant spin-flip effects for the hadronic produced J/Psi polarization at the Tevatron >>  Physical Review D 80, 034010 (2009). 30. J.W. Zhang, X.G. Wu , T. Zhong, Y. Yu and Z.Y. Fang, Hadronic production of doubly heavy baryon Xibc at LHC >>  Physical Review D 83, 034026 (2011). 31. C.H. Chang, C.F. Qiao, J.X. Wang, and X.G. Wu, Estimate of the hadronic production of the doubly charmed baryon Xicc under GM-VFN scheme >> Physical Review D 73, 094022 (2006). 32. Q.L. Liao, X.G. Wu, J. Jiang, Z. Yang and Z.Y. Fang, Heavy Quarkonium Production at LHC through W Boson Decays>>  Physical Review D 85, 014032 (2012). 33. T. Huang and X.G. Wu , et al., Consistent analysis of the B->PI transition form factor in the whole physical region>>  Physical Review D 71, 034018 (2005). 34. T. Huang, C.F. Qiao and X.G. Wu , et al., B-meson wavefunction with contributions from 3-particle Fock states>>  Physical Review D 73, 074004 (2006). 35. X.G. Wu, T. Huang and Z.Y. Fang, SU(F)(3)-symmetry breaking effects of the B-> K transition form-factor in the QCD light-cone sum rules >> Physical Review D 77, 074001 (2008). 36. X.G. Wu and T. Huang, Radiative corrections on the B -> P form factors with chiral current in the light-cone sum rules >>  Physical Review D 79, 034013 (2009).

已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员发表的部分理论研究论文 已有基础, 理论基础, 近年来项目组成员发表的部分理论研究论文 37. T. Huang, X.G. Wu and X.H, Wu, Pion form-factor in the KT factorization formalism>>  Physical Review D 70, 053007 (2004). 38. T. Huang and X.G. Wu, A model for the twist-3 wave function of the pion and its contribution to the pion form- factor>>  Physical Review D 70, 093013 (2004). 39. X.G. Wu , et al., An implication on the pion distribution amplitude from the pion-photon transition form factor with the new BABAR data>>  Physical Review D 82, 034024 (2010). 40. T. Zhong, X.G. Wu, J.W. Zhang, Y.Q. Tang and Z.Y. Fang, New results on pionic twist-3 distribution amplitudes within the QCD sum rules >> Physical Review D 83, 036002 (2011). 41. X.G. Wu , et al., Kaon electromagnetic form factor within the KT factorization formalism and it's LC wave function>> JHEP 0804, 043(2008). 42. X.G. Wu , et al., Constraints on the light pseudoscalar meson distribution amplitudes from their meson-photon transition form factors >>  Physical Review D 84, 074011 (2011). 43. S.J. Brodsky and X.G. Wu , et al., Scale setting using the extended renormalization group and the Principle of Maximum Conformality: the QCD coupling constant at four loops》 Physical Review D 85，034038 (2012). 44. S.J. Brodsky and X.G. Wu , et al., Top-quark pair production under the Principle of Maximum Conformality》  Physical Review D 86， 014021 (2012). 45. X.G. Wu , et al., Application of the Principle of Maximum Conformality to the top-quark forward-backward asymmetry at the Tevatron》 Physical Review D 85, 114040 (2012). 46. Kai Lin, Jin Li and Nan Yang. Dynamical behavior and nonminimal derivative coupling scalar field Of Reissner-Nordstrom black hole with a global monopole. General Relativity and Gravitation, 43, 1889- 1899 (2011) 47.Kai Lin, Nan Yang, Jin Li, Shanshan Chen and Xiuqiang Yi. Dirac quasinormal modes of charged ‘ braneworld black hole. Modern Physics Letters, A39, 3313-3321 (2010) 48. Kai Lin*, Nan Yang and Jin Li. Electromagnetic quasinormal modes in Horava-Lifshitz gravity. International Journal of Theoretical Physics, 50, 48-55 (2011) 49. K. Lin, J. Li and N. Yang, Dynamical behavior and nonminimal derivative coupling scalar filed of Reissner-Nordstrom black hole with a global monopole, General Relativity and Gravitation, 43(2011), 1889-1899. 50. L. Zou, F.Y. Li and H Wen, International Journal of Modern Physics D, Vol. 22, No. 2 (2013)  

已有基础 技术基础，高水平稳态强磁场技术 依托与本项目的参与单位中科院强磁场科学中心，该中心承担了“十一五”国家大科学工程“稳态强磁场实验装置”项目，其中包括超导磁体组负责研制一台可提供 45T 中心磁场的混合磁体。 在 IEEE Trans. Appl. Supercond. 等国际著名学术刊物上发表学术论文100余篇。

已有基础, 技术基础，高水平稳态强磁场技术 超导磁体研制基础(一): NbTi CICC型磁体 EAST装置纵场线圈 ITER装置 已有基础, 技术基础，高水平稳态强磁场技术 超导磁体研制基础(一): NbTi CICC型磁体 负责完成了世界首台全超导托卡马克EAST装置纵场磁体系统的研制。（包括立项、研制、测试、组装等全过程。） 参与完成了国际聚变装置ITER校正场线圈的电磁与机械性能的仿真模拟分析工作，ITER PF导体的改进工作。 EAST装置纵场线圈 ITER装置 PF conductor

已有基础 技术基础，高水平稳态强磁场技术 超导磁体研制基础(二): Nb3Sn CICC型磁体 已有基础 技术基础，高水平稳态强磁场技术 超导磁体研制基础(二): Nb3Sn CICC型磁体 成功研制了一台Nb3Sn CICC试验磁体，在4.2K、12.1T条件下获得了很好的实验性能，这也是国内首次成功研制的大型超高场Nb3Sn CICC超导磁体。发展了拥有自主知识产权的导体制作、磁体绕制和大型Nb3Sn超导磁体热处理技术。

已有基础 , 技术基础，高水平稳态强磁场技术 现有加工和实验条件（一）: CICC导体加工和检验车间

已有基础, 技术基础，高水平稳态强磁场技术 现有加工和实验条件（二）:CICC磁体绕制车间

已有基础, 技术基础，高水平稳态强磁场技术 国内唯一一台大型 Nb3Sn CICC 超导磁体热处理炉系统 已有基础, 技术基础，高水平稳态强磁场技术 现有加工和实验条件（三）: 大型Nb3Sn超导磁体热处理炉系统 国内唯一一台大型 Nb3Sn CICC 超导磁体热处理炉系统

已有基础, 技术基础，高水平稳态强磁场技术 现有加工和实验条件（四）: 大型超导磁体低温性能测试系统 已有基础, 技术基础，高水平稳态强磁场技术 现有加工和实验条件（四）: 大型超导磁体低温性能测试系统 超导磁体低温性能测试系统可提供超临界液氦、16 kA的电流引线、20 kA直流电源以及各种测试仪器等。

已有基础, 人才队伍（稳态强磁场部分，平均年龄43岁） 已有基础, 人才队伍（稳态强磁场部分，平均年龄43岁） 中科院强磁场科学中心 超导磁体组 中科院强磁场科学中心—超导磁体组是由中科院等离子体所原强磁场研究室和部分托卡马克装置相关工程技术人员组成，曾参与完成了20T混合磁体的建设、“九五”大科学工程—“超导托卡马克EAST装置”建设、参与国际合作项目ITER超导托卡马克超导导体的设计和研制等，发展了具有自主知识产权的大型CICC型超导磁体的设计、制造与测试等多项关键技术。 目前，强磁场科学中心承担了“十一五”国家大科学工程“稳态强磁场实验装置”项目，超导磁体组负责研制一台可提供45T中心磁场的混合磁体，将为开展凝聚态物理、化学、材料科学等学科的前沿研究提供强磁场实验平台。 匡光力 工学博士 中科院合肥物质科学院 研究员 大科学工程稳态强磁场 实验装置总经理 , 超导磁体组负责人

已有基础 , 人才队伍（稳态强磁场部分） 陈文革 谭运飞 黄鹏程 王福堂 朱加伍 1967年生 工学博士 合肥分院研究员 1980年生 已有基础 , 人才队伍（稳态强磁场部分） 陈文革 谭运飞 1967年生 工学博士 合肥分院研究员　　 1980年生 工学博士 合肥分院副研究员 黄鹏程 王福堂 朱加伍 1985年生 工学硕士　 合肥分院工程师 1943年生 合肥分院副研究员 1985年生 工学博士 合肥分院助理研究员

已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 以往工作的历史积淀：中山大学上世纪八十年代起率先在国内 开展了中频引力波的探测，积累了丰富的弱信号探测经验 1980s中山大学常温Weber棒引力波探测系统 灵敏度达到：

已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 近期与本项目相关的工作和研究成果： 近年来，中山大学课题组利用低温超导热敏探测器实现单光子水平上的光子 灵敏探测。 课题组在最近完成的实验（由本申报项目成员单位成员完成）中，实现了频率为1014Hz微弱到功率仅为0.1皮瓦的弱光子流探测，现有的弱光子流探测系统的探测 灵敏度已经达到了对膜振荡模型预期的高频引力波产生的信号光子流探测的要求。 在最近的另一个实验中，中山大学课题组探测到了109Hz弱微波激发下的单个人工原子非相干信号，实现了单个微波光子的信号检测。 中山大学课题组在国际著名学术刊物发表相关论文100余篇，其中包括本项目弱光子流探测部分的负责人韦联福教授，发表在国际物理学权威期刊 Physical Review Letters 上的5篇论文。

已有基础 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 已有基础 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 课题组拥有运行良好的极低温无液氦稀释机系统和单光子探测操纵实验系统，为本项目所需的弱光子流灵敏探测提供了可能; 无液氦稀释制冷机系统（基础温度达到10mK） 单光子探测与操纵实验系统

已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 已经实现了基于低温超导技术的弱光子流灵敏探测，达到了高频引力波探测的精度要求 利用低温超导技术实`现了~1pW功率通信波段弱光探测，基本达到了高频引力波探测的精度要求。 解决了光纤对准和低温胶固定难题

已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 已有基础 , 技术基础，可靠的弱光子流检测技术 实现了单个超导比特非相干跃迁信号的测量，为探测微波频段的单光子信号打下了坚实的实验基础： 噪声水平<0.1%

李志兵教授 http://www.sysu.edu.cn/2012/en/academics/academics03/286.htm 已有基础, 人才队伍（弱光检测部分，平均年龄39岁） 韦联福教授 http://spe.sysu.edu.cn/Teacher/teacherInfo.aspx?TEACHERID=913&TYPEID=187 1965年生，主持了低温超导探 测器设计、制作和测试的研究。 在本项目中负责引力波产生 弱光子流探测的研究 李志兵教授 http://www.sysu.edu.cn/2012/en/academics/academics03/286.htm 1962年9月出生, 中山大学引力波实验室副主任。 获1次国家自然科学二等奖（第四完成人) 参与高频引力波探测方案的 设计及可行性分析研究

已有基础, 人才队伍（弱光检测部分，平均年龄39岁） 已有基础, 人才队伍（弱光检测部分，平均年龄39岁） 年轻骨干力量 樊代和 讲师 承担弱光探测 实验工作 王轶文 讲师 承担低温微波测试 实验工作 张宏浩 副教授 承担引力波电磁响应的理论分析工作

技术方案, 技术路线（总体方案） 弱光子流探测器 典型参量：频率109 Hz 至 1014 Hz 灵敏度： 10-25 至 10-30 技术方案, 技术路线（总体方案） 弱光子流探测器 典型参量：频率109 Hz 至 1014 Hz 灵敏度： 10-25 至 10-30 利用弱光子流效应和波阻抗匹配 信号分析处理系统 稳态强磁场 典型参量：8 至 10 Tesla 有效截面 60 cm， 横向尺度50-80cm 运行温度 ~ 1K-100K 真空度 ~10-6 Torr 三部分优化集成组合 高频引力波 高斯型微波光子流 典型参量： 10 W 频带可调范围： 109 Hz 至 1014 Hz 最小光斑半径： 5-6 cm

技术方案, 技术路线（总体方案） 高 频 弱 光 子 流 高 频 引 力 波 强磁场 + 高斯型光子流 低温超导 弱光探测器 光纤

技术方案, 技术路线（总体方案） 高频引力波的探测 膜振荡模型预期的高频引力波： 天体等离子体振荡预期的高频引力波： 第一步 第二步 技术方案, 技术路线（总体方案） 膜振荡模型预期的高频引力波： 典型频带 109 Hz 至 1014 Hz振幅 10-21 至 10-25 高频引力波的探测 天体等离子体振荡预期的高频引力波： 典型频带 108 Hz 至 1013 Hz 振幅 10-24 至 10-29 第一步 第二步 宇宙学范围的高频原初引力波 （暴涨宇宙模型等） 典型频带 109 Hz 至 1010 Hz，振幅 10-30 左右 第三步

技术方案， 技术路线， 强磁体部分

技术方案， 技术路线， 强磁体部分 600mm室温孔径、10T超导磁体初步设计（一）: 超导线圈设计基准 技术方案， 技术路线， 强磁体部分 600mm室温孔径、10T超导磁体初步设计（一）: 超导线圈设计基准 拟采用CICC导体结构。（磁体最高场约12T，冷孔径720mm。CICC导体具有良好的自支撑，较低的交流损耗等优点，是大型超导磁体的首选方案。） 采用NbTi+Nb3Sn材料。（既满足中心磁场要求，又能降低制造成本。） 采用改性的316LN不锈钢铠甲和脱浆工艺处理的S—glass高强度玻璃布。（满足磁体热处理的要求，同时保证在低温下具有较高的机械强度。） 超导线圈绕组设计平面图

技术方案， 技术路线， 强磁体部分 超导线圈设计立体图 600mm室温孔径、10T超导磁体初步设计（二）: 超导线圈结构设计 技术方案， 技术路线， 强磁体部分 600mm室温孔径、10T超导磁体初步设计（二）: 超导线圈结构设计 超导线圈由4个同轴CICC绕组组成，绕组A、B和C为层绕结构，采用Nb3Sn材料，绕组D为饼式结构，采用NbTi材料。所有绕组采用连续绕制技术，各超导线圈由超导接头连接起来。每层线圈设置一个冷却通道，共12个冷却通道。 超导线圈设计立体图

技术方案， 技术路线， 强磁体部分 600mm室温孔径、10T超导磁体初步设计（三）: 超导磁体相关部件 超导磁体失超保护系统采用同绕线和多级并联保护的方案，确保对超导磁体失超后进行安全保护。 超导磁体失超保护原理图 超导磁体杜瓦设计方案 杜瓦结构(包括其支撑结构)将承受超导磁体的自重、电磁力、以及装配误差带来的扭转力等。

技术方案， 技术路线， 强磁体部分 600mm室温孔径、10T超导磁体初步设计（四）: 超导磁体相关设备 低温系统设计框架图 技术方案， 技术路线， 强磁体部分 600mm室温孔径、10T超导磁体初步设计（四）: 超导磁体相关设备 低温系统主要由液氦杜瓦、氦制冷机、氦压缩机、回收压缩机、中压氦气储罐、液氮储罐和传输线等设备组成。拟采用法国法液空或德国林德公司生产的、最大制冷量为170 W/4.5K或60l/h液氦生产能力的制冷机。 低温系统设计框架图 超导电源主回路原理图 超导电源拟采用开关电路或可控硅电路。技术性能指标： （1）最大输出电流20kA，最大输出电压9V； （2）电流纹波峰峰值不超过10ppm； （3）8小时现场测试电流稳定度好于10ppm； （4）8小时现场测试电压稳定度好于1%； （5）输出电流分辨率好于50ppm； （6）计算机设定并控制电流上升率（0-5）A/s， 可调，最大输出20kA；

低温超导谐振器弱光探测器的原理: 光子入射导致超导谐振器动态电感变化，从而引起其共振频率和相移的变化，由此实现超导单光子探测。 技术方案， 技术路线， 弱光检测部分 低温超导谐振器弱光探测器的原理: 光子入射导致超导谐振器动态电感变化，从而引起其共振频率和相移的变化，由此实现超导单光子探测。 Noncherent detection SC NC

技术方案， 技术路线， 弱光检测部分 制备品质因子更高的低温超导谐振器，实现单光子水平上的弱光子流探测 Q = 1160000

技术方案, 主要技术指标 超导磁体的主要性能指标 弱光检测的主要性能指标 中心磁场 10 T 可用孔径 600 mm 工作温度 4.5 K 技术方案, 主要技术指标 超导磁体的主要性能指标 中心磁场 10 T 可用孔径 600 mm 工作温度 4.5 K 弱光检测的主要性能指标 弱光探测频段 1GHz—1000THz 弱光探测精度 单光子分辨 探测器工作温度 20mK

Requirements of sensitivity Dimensions Frequency Requirements of sensitivity Constructing costs LIGO ～4km ～1-103Hz ～10-22-10-24 ～$109 LISA ～5×106km ～10-4-1Hz ～10-23-10-24 ～$1010 Synchro resonance EM detector system ～1-2 m ～109-1014 Hz ～10-25-10-30 ～$ 107 83

3DSR systems Observation frequencies will be from very broad range (10-17 Hz to 1014 Hz)

探测器建成后，除了提供直接探测高频引力波的重要 平台外， 还可望用于进一步探索如下深层次的科学问题： 大爆炸的回声：对暴涨期宇宙（婴儿宇宙）在高频带和极高频带的观测； 有高于三维的额外维空间吗（对膜振荡模型预期的高频引力波的探测）？ “精质”能作为暗能量的候选者吗（对精质暴涨宇宙模型预期的高频引力波的探测）？ 对早期宇宙和宇宙演化的认识：我们为何在此？ 我们从何而来？我们向何处去？

谢 谢 ！

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