【摘 要】
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四种基本相互作用中,引力由广义相对论描述,电磁、强、弱相互作用由标准模型描述,大量实验都证明了这两个理论的正确性,但它们在本质上并不兼容。物理学家们提出了很多理论试图统一四种基本相互作用,并预言牛顿反平方定律会发生破缺,因此需要进行高精度的实验检验。本课题组长期开展近距离反平方定律实验检验,并先后在毫米和亚毫米范围给出国际上精度最高的结果。目前实验仍未发现牛顿引力的破缺信号,但更高精度的实验仍然具
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四种基本相互作用中,引力由广义相对论描述,电磁、强、弱相互作用由标准模型描述,大量实验都证明了这两个理论的正确性,但它们在本质上并不兼容。物理学家们提出了很多理论试图统一四种基本相互作用,并预言牛顿反平方定律会发生破缺,因此需要进行高精度的实验检验。本课题组长期开展近距离反平方定律实验检验,并先后在毫米和亚毫米范围给出国际上精度最高的结果。目前实验仍未发现牛顿引力的破缺信号,但更高精度的实验仍然具有重要意义。本文在课题组2016年所完成的亚毫米范围的实验基础上,通过更深入地研究与抑制残余静电相关的干扰,获得当前精度最高的检验结果,并通过增大待测效应实现了检验精度更高的实验方案设计。本文的主要工作之一是针对课题组2016年完成的实验中存在的问题进行改进,获得了当前国际上精度最高的实验结果。基于2016年的实验装置对静电效应进行更深入的研究,在更近距离下发现仍然存在残余静电与振动耦合的干扰,通过进一步提高装置的稳定性,有效地解决了这项干扰,并且研制了形变更小的屏蔽膜,成功将实验间距从295μm推近到210μm,使用极大似然估计法处理不同间距的实验测量结果,在作用程为40-350μm范围给出了当前国际上最严格的反平方定律破缺的限制,在70μm的位置将之前的结果提高了3倍。另外,实验也给出了新的幂律破缺势限制,对于k=4,5的幂律破缺参数,将之前的最好结果提高了2倍。本文的另一项主要工作是设计了检验质量更大的32重对称的新方案,预期能够将反平方定律检验精度再提高一个量级。新方案通过设计面积更大的圆盘形状的检验质量增加待测效应;将吸引质量的对称重数从8重增加到32重,进一步分开信号频率与驱动频率,降低驱动系统的干扰。该方案的难点是在增大待测效应的同时,牛顿效应也会相应增大,对几何参量的要求也更加严格。作者采用双补偿设计,在扭秤与吸引质量上增加合适的补偿质量,通过优化各实验部件的形状、厚度等,成功将牛顿力矩从5.1×10-13Nm补偿到（0.2±1.0）×10-17Nm,并降低实验对几何参数的要求,实现“零”检验。最终设计表明新方案有望在λ≈300μm的位置将之前的反平方定律破缺限制再提高一个量级。作者还进行了背景实验来验证新方案的可行性,其最大特点是使用一个表面平整的镀金玻璃圆盘代替具有32重对称结构的吸引质量,因此不存在待测的32倍频破缺信号。测试结果表明,在背景圆盘转动过程,实验系统对扭秤产生的32倍频扰动力矩小于扭秤的噪声本底,满足实验需求。并且,除吸引质量以外,背景实验的其它单元部件与参数跟检验牛顿反平方定律的正式实验相同。单元部件的各种参数测试结果也表明,扭秤、屏蔽膜、驱动系统等制作精度能够满足实验需求,有力地支持本文所设计的新方案可行。
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