亞微米間距非牛頓引力實驗檢驗

《亞微米間距非牛頓引力實驗檢驗》是依託華中科技大學，由羅鵬順擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：亞微米間距非牛頓引力實驗檢驗
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：羅鵬順
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

如何統一描述自然界中的四種基本相互作用力（電磁、強、弱、引力）是物理學的前沿科學問題。基於不同的機制，目前幾乎所有的大統一理論都預言了引力在毫米和更近作用間距下偏離牛頓反平方定律，或存在著非牛頓引力。因此，通過檢驗近間距下非牛頓引力是否存在，將對統一場論的發展提供直接的實驗支撐，而在不同間距下進行實驗將可以檢驗不同的理論模型。申請人所在實驗室已經在毫米及亞毫米間距開展基於扭秤技術的實驗檢驗。本項目將側重於亞微米間距的實驗檢驗，將檢驗規範粒子在額外維空間傳播所引起的額外相互作用存在的可能。與毫米間距實驗相比，此間距的實驗檢驗將面臨著參與作用的質量少，而且Casimir力與靜電力的干擾大等困難。為了克服這些困難，提高檢驗精度，我們將採用彈性係數約為mN/m的高靈敏微懸臂弱力測量技術，將採用密度調製的吸引質量，實現一個零檢驗實驗。實驗結果預計比目前國際最好水平高一個數量級。

結題摘要

如何統一描述自然界中的四種基本相互作用力（電磁、強、弱、引力）是物理學的前沿科學問題。基於不同的機制，目前幾乎所有的大統一理論都預言了引力在毫米和更近作用間距下偏離牛頓反平方定律，或存在著非牛頓引力，因而在不同間距下檢驗非牛頓引力可以檢驗不同的理論模型，檢驗結果將對統一場論的發展提供直接的實驗依據。本項目主要在亞微米間距進行實驗檢驗，將檢驗通過交換在高維空間傳播的規範玻色子所導致的新相互作用。鑒於在此間距下Casimir力和靜電力成為主要的背景相互作用，本項目採用密度調製吸引質量，通過測量吸引質量水平振動時檢驗質量金球和吸引質量間水平力的變化來檢驗是否存在非牛頓引力，而通過製備表面電子性質均勻、平整的吸引質量使Casimir力和靜電力在此過程中保持不變。在項目資助期內，我們成功實現了檢驗質量探針的製備，探針測力水平在信號頻率達到5.7 fN/Hz^1/2。採用基於SOI矽片的微加工法實現了密度調製吸引質量的製備，通過一系列的工藝摸索和最佳化，使吸引質量隨密度調製結構的表面起伏平均幅度降至約3 nm。搭建了實驗測量平台，並發展了一套待測信號二維分布的測量方法，與其他類似實驗相比，該方法避免了由於測量位置選取的偶然性導致的測量結果的低估或高估。為了充分利用測量信號二維圖中所有實驗數據點，採用了最大似然估計法來分析數據，由此給出了在95%置信水平下對非牛頓引力作用強度的限制。該結果與Yale大學Lamoreaux小組的實驗結果相比，為沒有進行Casimir力和靜電力背景扣除的結果，不依賴於Casimir力和靜電力理論計算模型，具有更高的可信度，獲得的結果是對採用其他方法進行的檢驗實驗的很好補充和驗證。