量子真空場ゼロ点振動力の測定

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1、量子真空場点振動力測定量子真空場点振動力測定 東京大学宇宙線研究所東京大学宇宙線研究所 増田正孝増田正孝、青木利文、佐木真人、青木利文、佐木真人 東京大学地震研究所東京大学地震研究所 新谷昌人新谷昌人 高加速器研究機構高加速器研究機構 東保男東保男 真空真空 最低最低 加速器加速器 高高 宇宙宇宙 最高最高 起源探究起源探究 素粒子標準理論 超対称性 GUT相転移、重力 、超重粒子、余剰 次元、痕跡散乱、 暗黒 場理論、Axion、 宇宙項、余剰次元 、重力 新新重要性重要性 量子真空場点振動力量子真空場点振動力 （力）（力） H.B.G.Casimir, Proc. K. Ned. Akad

2、. Wet. 51, 793 (1948) QED帰結： 真空中電磁場点振動：境界条件差持 2枚金属平板存在、存在差 d 距離乗反比例引力 温度0K誘電率前提 実験力 温度誘電率表面粗補正 素粒子実験場真空素粒子実験場真空 力補正項潜未知相互作用解明 =広力精密測定目的 測定感度 地震研Limit 神岡Limit (300k ) 未知力結合定数制限 SPARNAAY 1958SPARNAAY 1958 0.62m0.62m Physica XXIV751-764 天秤用測定 極板、 力検出 静電容量変位測定:10-810-9N 距離(m) 力(10-5N/cm2) 破線：理論値 横棒：距離決定

3、不定性 結果：理論値対100%程度不定性 測定感度距離決定精度問題 Lamoreaux 0.66mLamoreaux 0.66m測定測定 S.K.Lamoreaux, PRL 78,5 (1997) 検出部静電容量測定 測定感度1011N 零位法(静電気力) 球面鏡平面鏡(金)間働力 （乗逆比例）測定 5%精度力検証？ 理論式（温度誘電率補正）誤 大誤差原因： 測定中(1cycle点測定 25分) 我実験各点距離実測 実線：力理論値 電気力引値 AFMAFM用用100500nm100500nm測定測定 A.Roy, C.Y.Lin, U.Mohideen, PRD60 (1999) AFM（原

4、子間力顕微鏡）原理用測定 球（直径201.7m）平板 1%精度確認？ 理論式（温度誘電率補正）誤 曲線：理論値 力温度効果力温度効果 有限温度補正誤 実験誘電率補正温度補正別計算 温度補正：誘電率大依存 間違理論実験合？ M.Bostrom and B.E.Sernelius, PRL 84 4757 (2000) 0k 300k 0k 300k Lamoreaux 誤理論値 Roy,Lin,Mohideen 補正含理論式対相対値 我装置概要 1.秤 吊金属棒 2.電流検知部: STM（走査型電流顕微鏡） 原理用角度 探針秤先端極板近、 間流電流 常一定(1nA) 追尾 最小感度;10-9ra

5、d以下 微小力感応部: 枚極板接近力働 周波数変調法用 距離測定：極板間静電容量求 .微小力感応部 2.電流検知部 00 真空内 装置装置 真空； 10-2torr 地震研地下 CasimirCasimir Plate Plate 金蒸着石英金蒸着石英 平面鏡:25.4mm、 面精度/10 球面鏡:40.0mm、R200mm 面精度/4 駆動系： 11.6m/100V, 電動 内 球面鏡平面鏡 電流検知部開発 粗動用 70mm 100mm 定電圧源 STM 高圧増幅器 + 電流 +100mV 0V 極板 +100mV STM用探針 0V 素子 V/m 原理 電流大距離依存 性利用 探針取付 探

6、針極板1nm程度 近。 極板探針間電圧100mV 電流 常一定(1nA) 信号送、極板動 追随 送信号極板 変位量換算 用装置 電流 熱膨張再現 作擬似的振動 (振幅350nm,0.1Hz)追随 出力電圧 電流 制御 確立 Distance(nm) Log(I nA) Distance(nm) 図1 探針極板間距離 VS 電流（Log） 図2 電流（Log 100nA付近） VS 探針極板間距離 1000.1nA変位 0.00013nm分解能 電流持可能到達感度 7.110-17N ：重力桁下 感度制限 逆関数 電流持変位感度電流持変位感度 図1図2 距離測定 極板間静電容量回路測定 変位計用

7、距離 測定精度調。 0.630m 理論値C=55.63LN(1+80.648/d) 5%以内： 距離決定精度 較正：m/100V 極板間隔決定精度装置較正 用秤振動測定 垂直方向 単振動；周期120s Q=34 0.9Hz；振子運動(L=30cm)対応 水平方向 時系列 時系列 周波数密度 周波数密度 0.9Hz 120s 磁場中測定 縦方向振動（振子）抑 電流検知長時間 鉛直下側垂直磁場(1500gauss) 渦電流減衰Q=2.4 赤；磁場 青；磁場 垂直方向 付近拡大 水平方向 付近拡大 極板間力測定極板間力測定 次関数 V=92mV 原因不明斥力 測定(110m)変調測定行 斥力原因（過

8、去論文etc） 極板表面状態起因？ 電荷、塵、油、 対策：洗浄、加熱処理、etc 変調時間変動測定 曲線：電気力(1/d) 極板間電圧 換算227mV V 極板間 接触電位差 GND 力補正項精密測定 = 未知力 過去検証実験問題我改善： 1. 到達感度 = 電流検知 1 1 10m 10m 力補正項力補正項 精密測定精密測定 1mm 1mm 1m 1m 余剰次元重力余剰次元重力 検証検証 2. 精度 = 各点静電容量測定 3. 有限温度効果取扱 = 最近理論整備 新測定方法確立。試料表面状態理解急務新測定方法確立。試料表面状態理解急務 展望展望 装置低温化温度制御 装置低温化温度制御 = = 温度補正項議論決着 温度補正項議論決着