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摘要:自然界四种基本相互作用中,引力由广义相对论描述,电磁力、强和弱力由粒子物理的标准模型来描述。如何统一这四种基本相互作用是物理学家努力的一个方向,在此过程中提出的很多非标准模型都预言了近间距非牛顿引力的存在。这些理论预言需要高精度的实验检验,目前毫米以上作用程的非牛顿引力已基本被实验所排除,本报告主要报道微米间距作用程的实验进展。
[博士论文] 官盛果
理论物理 华中科技大学 2009(学位年度)
摘要:自然界四种基本相互作用力的统一描述是物理学家一直追求的目标之一,而引力相互作用相比其他三种基本相互作用微弱近四十个数量级,这使得四种力的统一描述变得非常困难。人们讨论时空的结构问题时引进额外的空间维度似乎可以解决统一的问题,但这类理论要求引力在短程距离下偏离牛顿的反平方定律。至今为止,所有检验牛顿反平方定律的实验都只是给出反平方破缺的上限。对牛顿反平方定律的实验检验,也是对万有引力定律本身的一种直接检验,若在比相对论修正效应还大的水平上实验证明牛顿引力定律破缺了,这将对物理学的发展带来巨大影响。
   本文作者于2003年开始进行亚毫米距离牛顿反平方定律的实验检验,在全面调研历史上关于检验牛顿反平方定律的各种实验和理论分析方法以及与牛顿引力相关理论的基础上,经过多年的准备,于2006年采用精密扭秤低频双调制法完成了最近距离到176μm 范围牛顿反平方定律的实验检验,数据分析结果给出引力偏离反平方定律的上限为|α|=1时,λ≤66 μm;并且统一能量标度要求M*≥2.8TeV/c2,该数值与国际上该距离下的实验结果相近。此后,针对2006年调制实验中存在的问题,作者改进了实验方案,并于2009年完成了改进的扭秤双调制实验。新的实验中进一步将实验间距推进到120μm,增强了待测效应,并利用高频双调制提高了探测灵敏度。
   我们对数据处理方法也做了针对性的研究,进一步提高了实验的置信水平。改进的实验结果给出引力偏离反平方定律的上限为|α|=1时,λ≤37 μm;统一能量标度下限进一步提高到M*≥3.7TeV/c2,这一结果将2006年的实验精度提高了1~2个数量级,并且在12μm~220μm 距离范围给出了引力偏离牛顿反平方定律的最新限制。
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