亚微米间距非牛顿引力实验检验

General Relativity is a standard theory for gravity which has passed all experimental tests to date. The Standard Model, a very successful quantum gauge theory, accounts for the rest of the four fundamental interactions：electromagnetism, strong interaction and weak interaction. However, the two great theories of 21 century are fundamentally incompatible. Physicists have devoted an intense effort to find a unified theory that may unify all the fundamental forces of nature. Irrespective of the mechanisms, most of the unified theories predict that gravitation will deviate from the Newton's inverse square law at millimeter and sub-millimeter range (the deviation is usually called Non-Newtonian forces). Those predictions have inspired intense experimental efforts to test the Newton's inverse square law at different interaction ranges and to search for the Non-Newtonian forces. Our laboratory has been performing experimental tests at millimeter and sub-millimeter ranges using torsion balance. This project will perform experimental test at sub-micrometer range using ultrasensitive cantilevers. The test at sub-micrometer range would shed a light on the possible propagation of gauged particles in the bulk space with extra dimensions, which induces an experiment detectable gravitation-like interaction at this range. A delicate experimental design with a density modulation source mass is adopted to remove influence of the dominant background force: the Casimir force. The ultrasensitive cantilevers is aligned to be perpendicular to the source mass surface so that it is more sensitive to the lateral forces than the vertical forces applied on the test mass. The constraint on the Non-Newtonian force is supposed to be improved by an order of magnitude in this project.

如何统一描述自然界中的四种基本相互作用力（电磁、强、弱、引力）是物理学的前沿科学问题。基于不同的机制，目前几乎所有的大统一理论都预言了引力在毫米和更近作用间距下偏离牛顿反平方定律，或存在着非牛顿引力。因此，通过检验近间距下非牛顿引力是否存在，将对统一场论的发展提供直接的实验支撑，而在不同间距下进行实验将可以检验不同的理论模型。申请人所在实验室已经在毫米及亚毫米间距开展基于扭秤技术的实验检验。本项目将侧重于亚微米间距的实验检验，将检验规范粒子在额外维空间传播所引起的额外相互作用存在的可能。与毫米间距实验相比，此间距的实验检验将面临着参与作用的质量少，而且Casimir力与静电力的干扰大等困难。为了克服这些困难，提高检验精度，我们将采用弹性系数约为mN/m的高灵敏微悬臂弱力测量技术，将采用密度调制的吸引质量，实现一个"零"检验实验。实验结果预计比目前国际最好水平高一个数量级。

如何统一描述自然界中的四种基本相互作用力（电磁、强、弱、引力）是物理学的前沿科学问题。基于不同的机制，目前几乎所有的大统一理论都预言了引力在毫米和更近作用间距下偏离牛顿反平方定律，或存在着非牛顿引力，因而在不同间距下检验非牛顿引力可以检验不同的理论模型，检验结果将对统一场论的发展提供直接的实验依据。本项目主要在亚微米间距进行实验检验，将检验通过交换在高维空间传播的规范玻色子所导致的新相互作用。鉴于在此间距下Casimir力和静电力成为主要的背景相互作用，本项目采用密度调制吸引质量，通过测量吸引质量水平振动时检验质量金球和吸引质量间水平力的变化来检验是否存在非牛顿引力，而通过制备表面电子性质均匀、平整的吸引质量使Casimir力和静电力在此过程中保持不变。在项目资助期内，我们成功实现了检验质量探针的制备，探针测力水平在信号频率达到5.7 fN/Hz^1/2。采用基于SOI硅片的微加工法实现了密度调制吸引质量的制备，通过一系列的工艺摸索和优化，使吸引质量随密度调制结构的表面起伏平均幅度降至约3 nm。搭建了实验测量平台，并发展了一套待测信号二维分布的测量方法，与其他类似实验相比，该方法避免了由于测量位置选取的偶然性导致的测量结果的低估或高估。为了充分利用测量信号二维图中所有实验数据点，采用了最大似然估计法来分析数据，由此给出了在95%置信水平下对非牛顿引力作用强度的限制。该结果与Yale大学Lamoreaux小组的实验结果相比，为没有进行Casimir力和静电力背景扣除的结果，不依赖于Casimir力和静电力理论计算模型，具有更高的可信度，获得的结果是对采用其他方法进行的检验实验的很好补充和验证。