Ученые считают, что нейтронные лучи могут помочь раскрыть неуловимую «пятую силу» природы

По мнению исследователей, стрельба пучками нейтронов по образцам кремния может привести нас к неуловимой, неизвестной «пятой силе» природы.

Используя метод, называемый интерферометрией пенделлосунга, группа физиков под руководством Бенджамина Хикока из Национального института стандартов и технологий использовала нейтронные пучки для исследования кристаллической структуры кремния. С наивысшей точностью, получив подробные результаты, в сравнении с рентгеновскими методами.

Это выявило ранее неизвестные свойства кремния, материала, имеющего решающее значение для технологии; более подробная информация о свойствах нейтрона; и наложил важные ограничения на пятую силу, если она существует.

«Несмотря на то, что кремний широко распространен, мы все еще изучаем его основные свойства», — говорит физик Альберт Янг из Университета штата Северная Каролина.

«Нейтрон, поскольку он не имеет заряда, отлично подходит для использования в качестве зонда, потому что он не сильно взаимодействует с электронами внутри материала. У рентгеновских лучей есть некоторые недостатки при измерении атомных сил внутри материала из-за их взаимодействия с электронами».

Нейтроны, содержащиеся в атомных ядрах, высвобождаются при делении ядер. Они могут быть сфокусированы в пучки, которые проникают в материалы на большую глубину, чем с помощью рентгеновских лучей, и рассеиваются атомными ядрами, а не атомными электронами, что означает, что они могут использоваться для исследования материалов способами, которые дополняют рентгеновские лучи.

Для этого луч частиц направляется на материал. Как только луч проникает в материал, нейтроны отскакивают и рассеиваются от структурной решетки атомов в нем.

В идеальном кристалле кремния слои атомов в решетке расположены в плоскостях, которые повторяются по расстоянию и ориентации. Отражение луча точно от этих плоскостей может привести к тому, что нейтроны расходятся по своим маршрутам через решетку, создавая слабые интерференционные картины, называемые осцилляциями пенделлосунга, которые раскрывают структурные свойства кристалла.

Этот метод дал новое измерение зарядового радиуса в нейтронах. Хотя нейтроны заряжены нейтрально, три кварковые частицы внутри них — нет. Верхний кварк имеет заряд +2/3, а каждый из двух нижних кварков имеет заряд -1/3, что означает, что в целом они компенсируют друг друга.

Но внутри нейтрона заряд распределен неравномерно. Положительный заряд концентрируется в центре, а отрицательный по краям; расстояние между ними называется радиусом заряда.

Этот метод также может обеспечить дополнительные ограничения на еще не обнаруженную теоретическую силу ближнего действия. Согласно Стандартной модели физики в природе существует три силы: сильная, слабая и электромагнитная. Гравитация, не включенная в Стандартную модель, считается четвертой силой.

Однако некоторые физики предположили, что существует неизвестная пятая сила, которая может объяснить аномальные наблюдения. Если она существует, то может иметь носитель силы, точно так же, как фотоны являются носителем силы для электромагнетизма.

Масштаб длины, в котором может действовать носитель силы, обратно пропорционален его массе. Фотон, не имеющий массы, имеет безграничный диапазон. Интерферометрия Пенделлосунга может ограничить дальность действия носителя пятой силы.

Результаты команды ограничили дальность действия пятой силы в десять раз, что означает, что будущие поиски пятой силы будут иметь меньший диапазон, в котором нужно будет искать.

Исследование опубликовано в журнале Science.