Los científicos dicen que los rayos de neutrones pueden ayudar a revelar la desconcertante “quinta fuerza” de la naturaleza

Disparar rayos de neutrones a muestras de silicio puede llevarnos a una “quinta fuerza” desconocida de la naturaleza, según los investigadores.

usando una técnica llamada interferometría pendellösung., un equipo de físicos dirigido por Benjamin Hickok del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ha utilizado haces de neutrones para examinar la estructura cristalina del silicio con la resolución más alta alcanzada hasta la fecha, obteniendo los resultados más detallados de las técnicas de rayos X.

Esto ha revelado propiedades previamente desconocidas del silicio, un material clave para la tecnología; Información más detallada sobre las propiedades del neutrón; Y puso limitaciones importantes a la quinta fuerza, si la hubo.

“Aunque el silicio es omnipresente, todavía estamos aprendiendo más sobre sus propiedades esenciales”, El físico Albert Young dice: de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

“El neutrón, debido a que no tiene carga, es excelente para su uso como sonda porque no interactúa fuertemente con los electrones dentro del material. Los rayos X tienen algunos defectos al medir las fuerzas atómicas dentro de un material debido a su interacción con los electrones”.

Los neutrones en los núcleos atómicos se liberan durante la fisión nuclear. Pueden enfocarse en haces que penetran el material a profundidades mucho más altas de lo que se puede lograr con los rayos X, y son dispersados ​​por núcleos atómicos, en lugar de electrones atómicos, lo que significa que pueden usarse para sondear materiales de manera complementaria a X- mediciones de rayos.

“Una de las razones por las que nuestras mediciones son tan sensibles es que los neutrones penetran en el cristal mucho más profundamente que los rayos X (centímetros o más) y, por lo tanto, miden un grupo de núcleos mucho más grande”. El físico Michael Huber dice: de NIST.

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“Hemos encontrado evidencia de que los núcleos y los electrones pueden no vibrar tan rígidamente como se supone habitualmente. Esto cambia nuestra comprensión de cómo los átomos de silicio interactúan entre sí dentro de una red cristalina”.

Para hacer esto, el haz de partículas se dirige hacia una sustancia. Una vez que el haz penetra en el material, los neutrones rebotan y se dispersan en la red estructural de átomos que contiene.

En un cristal de silicio ideal, las láminas de átomos en la red están dispuestas en planos que se repiten en el espaciado y la dirección. Hacer rebotar con precisión el rayo en estos niveles puede hacer que los neutrones diverjan en sus trayectorias a través de la red, creando patrones de interferencia débiles llamados oscilaciones pendellösung que revelan las propiedades estructurales del cristal.

“Imagina dos guitarras idénticas” Huber dijo.

“Pulpéelo de la misma manera, y cuando las cuerdas vibren, conduzca uno por un camino con baches de velocidad, es decir, a lo largo de los niveles de átomos en la celosía, y empuje el otro por un camino de la misma longitud sin baches de velocidad – análogo a navegar entre planos de celosía.

“La comparación de los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre los reductores de velocidad: ¿qué tamaño tienen, qué tan suaves son y tienen formas interesantes?”

Esta técnica dio como resultado una nueva medición del radio de carga en neutrones. Aunque los neutrones son neutrales, los tres quarks dentro de ellos no lo son. El quark up tiene una carga de +2/3, y los dos quarks down tienen cada uno una carga de -1/3, lo que significa que generalmente se cancelan entre sí.

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Pero la carga dentro del neutrón no se distribuye uniformemente. La carga positiva se concentra en el centro y la carga positiva se concentra alrededor de los bordes; La distancia entre los dos se llama radio de carga.

La interferometría de Pendellösung no está sujeta a los factores que llevaron a discrepancias entre las mediciones anteriores utilizando diferentes técnicas, lo que significa, dijo el equipo, que su resultado puede ser clave para reducir el tamaño de este haz.

Esta técnica también puede proporcionar limitaciones adicionales sobre la potencia teórica de corto alcance que aún no se han descubierto. En la naturaleza, según Forma estándar En física, hay tres fuerzas, fuerte, débil y electromagnética. Se cree que la gravedad, no incluida en el modelo estándar, es la cuarta fuerza.

Sin embargo, parafraseando a Hamlet, es casi seguro que hay más cosas en el cielo y la tierra de las que hemos descrito, y algunos físicos han sugerido que existe una quinta fuerza desconocida que podría explicar las observaciones anómalas. Si está presente, puede tener un portador de fuerza, de la misma manera que los fotones son el portador de fuerza del electromagnetismo.

La medida de longitud sobre la que puede actuar un portador de fuerza es inversamente proporcional a su masa. El fotón, que no tiene masa, tiene un rango infinito. La interferometría de Pendellösung puede proporcionar limitaciones de rango para un portador de quinta fuerza, lo que a su vez puede imponer limitaciones a su fuerza.

Los resultados del equipo limitaron el alcance del portador de la Quinta Fuerza a quince veces, lo que significa que las búsquedas futuras de la Quinta Fuerza tienen un rango de búsqueda más pequeño.

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“Lo mejor de este trabajo no es solo la precisión, podemos centrarnos en observaciones específicas en el cristal, sino que también podemos hacerlo con un experimento de escritorio, no con un gran colisionador”. Young dijo.

“Hacer estas mediciones pequeñas y precisas podría hacer avanzar algunas de las cuestiones más desafiantes de la física fundamental”.

La búsqueda fue publicada en Ciencias.

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