密度调制法近距离牛顿反平方定律实验检验

Connecting gravity with the rest of physics is clearly the central challenge of fundamental physics. Physicists have devoted an intense effort to find a unified theory that may unify all the fundamental forces of nature. 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. Our laboratory has been performing experimental tests at millimeter and sub-millimeter ranges using torsion balance. 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 separate the signal of interest from spurious signals in frequency domain, we plan to use a density modulated source mass design for both interaction ranges. We expect to improve the test precision one order of magnitude better than the best result up-to-date for both interaction ranges.

物理学中的四种基本相互作用（引力、电磁、强、弱）的最终统一描述是物理学的前沿科学问题之一。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，而一个高精度的近距离牛顿反平方定律的实验检验必将对统一理论的建立提供直接的实验依据。不同作用间距范围的实验将检验不同的理论模型，申请人所在实验室已开展毫米和亚毫米间距范围实验检验。本项目拟在前期实验基础上将检验间距拓展到微米作用程范围，并在亚毫米间距范围采用新方案进行一个更高精度的实验检验。针对不同的间距范围，我们将分别采用悬臂梁技术和精密扭秤技术。为了将待测信号与其他干扰信号在频域上分离，两个间距范围的实验都将采用密度调制吸引质量设计。项目预期在两个检验间距下的实验结果都比目前国际上最好水平提高一个数量级。

引力是人类认识最早的一种基本相互作用，由广义相对论描述。如何将引力与其他三种基本相互作用统一起来是当今科学研究的前沿问题。很多统一理论或超越标准模型的理论预言：在近距离下牛顿万有引力定律会偏离反平方关系，或存在新的相互作用。因此，通过对牛顿反平方定律进行高精度的实验检验，将检验相关的理论模型，为统一理论的建立提供实验依据。本项目采用吸引质量密度调制法分别在亚毫米与微米间距范围对牛顿反平方定律进行检验。在亚毫米间距采用精密扭秤技术，吸引质量采用八重对称设计，在对牛顿引力进行双补偿，抑制电磁干扰后，未发现牛顿反平方定律的破缺，由此给出了作用程为70－300 μm时对Yukawa形式破缺的国际上精度最高的限制。在此基础上，结合印第安纳大学近距离引力实验的结果，分析给出了对引力部分14个洛伦兹破缺系数国际上最强的限制。在微米间距本项目采用悬臂梁作为弱力传感器，通过测量金球和密度调制吸引质量间的水平力来检验非牛顿引力是否存在。我们发展了制备金球检验质量探针的方法，探针弱力测量水平在待测信号频率处为4.5 fN/sqrt(Hz)；发展了基于SOI硅片制备表面平整的密度调制吸引质量方法，吸引质量表面随调制结构同周期的起伏控制在3nm左右；发展了力信号随空间位置分布的二维图测量方法。最终在不进行Casimir力和静电力背景扣除情况下，通过最似然估计方法，给出了对非牛顿引力的限制，该结果是此间距下不依赖于Casimir力和静电力理论计算模型的两个结果之一。