Secondo i ricercatori, sparare fasci di neutroni su campioni di silicio potrebbe portarci a una sconosciuta “quinta forza” della natura.
usando una tecnica chiamata pendellösung .interferometria, un team di fisici guidato da Benjamin Hickok del National Institute of Standards and Technology ha utilizzato fasci di neutroni per esaminare la struttura cristallina del silicio alla massima risoluzione raggiunta fino ad oggi, ottenendo i risultati più dettagliati dalle tecniche a raggi X.
Ciò ha rivelato proprietà precedentemente non riconosciute del silicio, un materiale chiave per la tecnologia; Informazioni più dettagliate sulle proprietà del neutrone; E ha posto importanti limitazioni alla quinta forza, se ce ne sono.
“Sebbene il silicio sia onnipresente, stiamo ancora imparando di più sulle sue proprietà essenziali”, Il fisico Albert Young dice: dalla North Carolina State University.
“Il neutrone, poiché non ha carica, è eccellente per l’uso come sonda perché non interagisce fortemente con gli elettroni all’interno del materiale. I raggi X hanno alcuni difetti quando si misurano le forze atomiche all’interno di un materiale a causa della loro interazione con gli elettroni”.
I neutroni nei nuclei atomici vengono rilasciati durante la fissione nucleare. Possono essere focalizzati in fasci che penetrano nel materiale a profondità molto più elevate di quelle ottenibili con i raggi X e sono diffusi da nuclei atomici, piuttosto che da elettroni atomici, il che significa che possono essere utilizzati per sondare materiali in modi complementari all’X- misurazioni dei raggi.
“Uno dei motivi per cui le nostre misurazioni sono così sensibili è che i neutroni penetrano nel cristallo molto più in profondità dei raggi X – centimetri o più – e quindi misurano un gruppo molto più grande di nuclei”, Il fisico Michael Huber dice: dal NIST.
“Abbiamo trovato prove che nuclei ed elettroni potrebbero non vibrare così rigidamente come si presume di solito. Questo cambia la nostra comprensione di come gli atomi di silicio interagiscono tra loro all’interno di un reticolo cristallino”.
Per fare ciò, il fascio di particelle viene diretto verso una sostanza. Una volta che il raggio penetra nel materiale, i neutroni rimbalzano e si disperdono dalla rete strutturale degli atomi al suo interno.
In un cristallo di silicio ideale, i fogli di atomi nel reticolo sono disposti in piani che si ripetono nella spaziatura e nella direzione. Far rimbalzare finemente il raggio su questi livelli può far divergere i neutroni nei loro percorsi attraverso il reticolo, creando deboli schemi di interferenza chiamati oscillazioni pendellösung che rivelano le proprietà strutturali del cristallo.
“Immagina due chitarre identiche”, Huber ha detto.
“Pulpalo allo stesso modo, e quando le corde vibrano, guidane una lungo un percorso con dossi – cioè lungo i livelli degli atomi nel reticolo – e spingi l’altro lungo un percorso della stessa lunghezza senza dossi – analogo alla navigazione tra piani reticolari.
“Paragonare i suoni di entrambe le chitarre ci dice qualcosa sui dossi: quanto sono grandi, quanto sono lisci e hanno forme interessanti?”
Questa tecnica ha portato a una nuova misurazione del raggio di carica nei neutroni. Sebbene i neutroni siano neutri, i tre quark al loro interno non lo sono. Il quark up ha una carica di +2/3 e i due quark down hanno ciascuno una carica di -1/3, il che significa che generalmente si annullano a vicenda.
Ma la carica all’interno del neutrone non è distribuita uniformemente. La carica positiva è concentrata al centro e la carica positiva è concentrata attorno ai bordi; La distanza tra i due è chiamata raggio di carica.
L’interferometria di Pendellösung non è soggetta ai fattori che hanno portato a discrepanze tra misurazioni precedenti utilizzando tecniche diverse, il che significa, ha affermato il team, che il suo risultato potrebbe essere la chiave per restringere le dimensioni di questo raggio.
Questa tecnica è anche in grado di fornire ulteriori limitazioni alla potenza teorica a corto raggio che devono ancora essere scoperte. In natura, secondo Modulo standard In fisica ci sono tre forze, forte, debole ed elettromagnetica. Si ritiene che la gravità, non inclusa nel Modello Standard, sia la quarta forza.
Tuttavia, per parafrasare Amleto, ci sono quasi certamente più cose in cielo e in terra di quante ne abbiamo descritte, e alcuni fisici hanno suggerito che esiste una quinta forza sconosciuta che potrebbe spiegare le osservazioni anomale. Se presente, può avere un portatore di forza, allo stesso modo in cui i fotoni sono i portatori di forza dell’elettromagnetismo.
La misura della lunghezza su cui può agire un portatore di forza è inversamente proporzionale alla sua massa. Il fotone, che è privo di massa, ha una gamma infinita. L’interferometria Pendellösung può fornire limiti di portata per un quinto vettore di forza, che a sua volta può porre limiti alla sua forza.
I risultati della squadra hanno limitato la portata del vettore della Quinta Forza a quindici volte, il che significa che le ricerche future per la Quinta Forza hanno un raggio di ricerca più piccolo.
“La cosa grandiosa di questo lavoro non è solo l’accuratezza – possiamo concentrarci su osservazioni specifiche nel cristallo – ma possiamo anche farlo con un esperimento desktop, non un grande collisore”, Young ha detto.
“Effettuare queste misurazioni piccole e precise potrebbe far avanzare alcune delle domande più impegnative della fisica fondamentale”.
La ricerca è stata pubblicata in Scienza.
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