平行平板力计量：最终设计评审与展望

该文档主要介绍了CANNEX实验的设计、目标和预期贡献。CANNEX（Casimir And Non-Newtonian force EXperiment）旨在通过高精度测量界面和类重力力及其梯度，探索3至30微米距离范围内的力学现象。以下是对该文档的详细总结：

1. 实验背景与动机

暗物质（DM）和暗能量（DE）是现代物理学中的重要课题。尽管在高能对撞机中尚未发现相关粒子，理论学家们通过有效场论（Effective Field Theory）提出了可能的相互作用模型。CANNEX实验的设计旨在通过测量卡西米尔力（Casimir Force）和假设的屏蔽标量DE力，来探索这些新相互作用。

2. 实验设计与技术挑战

CANNEX实验采用平行平板几何结构，这与大多数使用曲面相互作用的实验不同，能够显著提高对距离依赖力的灵敏度。实验设计包括：

• 热控制：实现亚毫开尔文（sub-mK）精度的热控制，以减少热漂移对测量的影响。
• 被动地震衰减系统：六轴系统用于减少地震干扰。
• 表面电荷和杂质去除：通过紫外线照射和氩离子去除表面电荷和杂质。
• 光学检测系统：用于高精度的力测量。
• 原位表面表征：使用**开尔文探针力显微镜（KPFM）和原子力显微镜（AFM）**进行表面特性分析。

3. 误差分析与校准

文档详细描述了误差预算的计算方法，使用了**有限元方法（FEM）和蒙特卡罗模拟（MC）**等技术来估计和减少测量误差。实验的校准依赖于可追溯到计量标准的参考（如波长、电压、频率）。

4. 预期贡献与科学意义

CANNEX实验有望在以下几个方面做出贡献：

• 提高现有约束的精度：通过测量卡西米尔力和力梯度，CANNEX可以在现有实验约束的基础上提高几个数量级。
• 探索卡西米尔力的热力学性质：首次在高精度下探测卡西米尔力从量子力学起源到热力学起源的过渡。
• 验证非平衡态下的卡西米尔力理论：进行首次定量测量，测试相关理论。

5. 未来计划

CANNEX实验计划于2024年在奥地利的**康拉德天文台（COBS）**进行，该地点的地震和热稳定性将有助于减少实验误差。实验的设计和测量程序已完成，预计将在2024年夏季开始操作。

术语解释

• 卡西米尔力（Casimir Force）：一种量子效应导致的力，存在于两个未接触的导体之间。
• 有效场论（Effective Field Theory）：一种理论框架，用于描述低能行为而不依赖于基础理论的细节。
• 开尔文探针力显微镜（KPFM）：一种用于测量表面电势的显微技术。
• 原子力显微镜（AFM）：一种用于测量表面形貌的显微技术。

总结

该文档详细介绍了CANNEX实验的设计、技术挑战、误差分析和预期科学贡献。通过创新的实验设计和精确的测量技术，CANNEX有望在探索新物理相互作用和验证卡西米尔力理论方面取得重要进展。