基于精密扭秤技术和微悬臂探针技术的近距离引力反平方定律实验检验

Connecting gravity with the rest of physics is clearly the central challenge of fundamental physics. Many attempts predict that Newton's Gravitational Inverse-Square Law will fail below some distance scale, possibly as large as 1 mm. These have inspired intense experimental efforts to detect the deviation from the Inverse-Square Law at short range. Under the support of the NSFC, Our laboratory has been performing experimental tests at micrometer and sub-millimeter ranges. In 2016, the project was evaluated as excellence. The result improves the previous bounds by up to a factor of 2 at the length scale 160 μm. A combined analysis of the short range experimental results improve the sensitivity to numerous types of Lorentz violation coefficients by an order of magnitude. Now, we have published 2 papers in the journal of Phys. Rev. Lett. Today, other group published new results at shourt ranges, wich improved the 2 order of magnitude than that of our predicted. The current project plans to launch a new experimental test at micrometer range using ultrasensitive cantilevers as well as an improved test at sub-millimeter range using torsion balance. In order to improve the signal to noise ratio, the high-Q quartz fiber and higher-precision angle dectector should be integrated and utilized. Furthermore, we plan to test the new force between the spin and mass. We expect to improve the test precision one order of magnitude better than the best result up-to-date for the interested interaction ranges.

物理学中四种基本相互作用的最终统一描述是前沿问题之一。目前很多相关理论都预言了引力在毫米和更近作用程下会偏离牛顿反平方定律，一个高精度的实验结果，无论肯定与否定都将为探测新的基本粒子及统一理论的建立提供有力依据。2014年，在基金委资助下，我们开展了亚毫米和微米间距的实验，在160微米间距处，将当前国际最好水平提高了2倍，以此结果为基础对洛伦兹破缺系数给出了目前国际上最强的限制，发表PRL论文2篇，在项目中期评估时专家组一致认为取得了比较突出的进展。考虑到国际上相关区间的最新结果已超过我们，本项目拟集成相关课题中的高Q值石英丝、高精度角度探测等关键技术，同时优化精密扭秤和微悬臂探针的技术方案，从而进一步提高实验信噪比，并拓展研究方向，开展自旋-质量相关力的探测研究，将相关区间的最好水平分别提高一个量级，在更高精度下检验引力反平方定律是否成立以及检验是否存在新的相互作用。

物理学中四种基本相互作用的最终统一描述是前沿问题之一。目前很多相关理论都预言了引力在毫米和更近作用程下会偏离牛顿反平方定律。另外，不少超越标准模型的理论认为，交换新的轻玻色子会产生与自旋相关的新相互作用。高精度的实验检验结果，无论肯定与否定都将为探测新的基本粒子及统一理论的建立提供有力依据。本项目在亚毫米范围采用精密扭秤技术检验钨片之间的引力作用是否满足牛顿反平方定律，在微米范围采用微悬臂探针技术检验是否存在自旋-质量（速度）间的相互作用力，均获得了当前国际上精度最高的结果。.亚毫米范围的实验重点研究与消除关键部件上残余静电与振动耦合产生的影响，获得检验精度最高的实验结果，对Yukawa破缺势的限制在作程70 μm处将当前国际最好水平提高3倍。在微米范围采用微悬臂技术来检验自旋-质量（速度）间的相互作用力，利用单晶硅微悬臂与金球组成的高灵敏度探针，以及极化方向周期性反平行排列的自旋源调制结构，通过探测自旋源与运动物体的作用力来检测新效应，得到电子自旋与核子之间新相互作用耦合常数f⊥的最严格限制，在作用程为5μm处要求f⊥<5.3×10^－8。利用实验结果分析引力反平方定律破缺的理论模型的参数限制。对于交换无质量玻色子的高阶过程引起的幂定律破缺势，实验把参数约束改进2倍。给出反比于距离六次方的洛伦兹破缺效应引力部分的22个系数，要求不超过10^－12 m^4，是首次同时给出所有系数的结果。.项目的研究成果进一步提高了引力反平方定律在亚毫米范围的检验精度，以及给出自旋-核子之间新相互作用耦合常数的限制，加深对相关物理规律的认识。为相关理论提供指导。