近距离牛顿反平方定律实验检验中重要进展

20160401341003月31日,物理学权威学术期刊《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)在线发表华中科技大学物理学院引力中心团队在检验牛顿反平方定律实验中的最新研究成果《亚毫米范围引力反平方定律的实验检验》(New Test of the Gravitational Inverse-Square Law at the Submillimeter Range with Dual Modulation and Compensation)。物理学院2009级博士生谭文海为第一作者,杨山清副教授、罗俊院士为共同通讯作者。

将自然界中四种基本相互作用(电磁、弱、强、引力)采用一个统一理论来描述一直是物理学家们追求的梦想,为此理论物理学家们提出了各种理论模型,如大额外维理论、弦理论等,但这些理论均要求一些基本物理常数不是真正的“常数”(如万有引力常数、精细结构常数等随着时间变化)、作为广义相对论基本假设之一的等效原理破缺、两个物体之间的引力与距离平方成反比的牛顿万有引力定律在近距离下破缺等等。理论模型的正确与否需要实验检验,高精度的引力实验检验有助于人们更深刻地认识引力的本质。

自2002年以来,引力中心团队就致力于采用精密扭秤技术检验两个非常近距离下平板间的牛顿引力定律。由于引力非常微弱,因而要检验引力的破缺效应需要克服各种干扰因素,困难重重。研究团队利用我校人防山洞实验室天然恒温、震动小、外部干扰少等优越的条件,在先后解决了两个平板间的静电干扰、扭秤的电容反馈控制、同步引力标定及地面震动影响等关键技术问题后,该团队先后取得了一系列重要结果,并实现了我国在该领域由跟跑到领跑。

2007年,该团队成功实现了最近间距在176微米下的牛顿反平方定律的实验检验,在95%的置信水平下,实验结果验证了牛顿反平方定律在作用程大于66微米范围内的正确性,并否定了弱电统一破缺能量标度为1 TeV时在亚毫米范围可能存在两个额外维的理论预言。该结果与当时国际上的最好水平接近。

2012年,在解决了静电屏蔽、磁屏蔽以及高精度的引力补偿等问题后,该团队经过近5年的努力,将国际上毫米区间的结果提高了近8倍,达到国际领先水平。

2016年,在解决了驱动的干扰信号及引力的双补偿设计以后,将扭秤的灵敏度提高到了2E-17 Nm的超高水平,并在160微米处将当前国际最好水平提高了2倍,达到国际领先水平,为该问题的理论研究提供了实验参考。

杨山清副教授是物理学院培养多年的青年教师,2003年至2009年在物理学院硕博连读,师从罗俊院士开展精密引力实验研究。2009年至2013年在物理学院和电信系从事博士后研究,2013年留校任教至今。该研究工作先后得到了国家自然科学基金、“973计划”及华中科技大学等各方面的支持。

论文链接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.131101

(据华中科技大学)

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