Les scientifiques disent que les faisceaux de neutrons peuvent aider à révéler la “cinquième force” déroutante de la nature

Le tir de faisceaux de neutrons sur des échantillons de silicium pourrait nous conduire à une “cinquième force” inconnue de la nature, selon les chercheurs.

en utilisant une technique appelée interférométrie pendellösung .En fait, une équipe de physiciens dirigée par Benjamin Hickok du National Institute of Standards and Technology a utilisé des faisceaux de neutrons pour examiner la structure cristalline du silicium à la plus haute résolution atteinte à ce jour, obtenant les résultats les plus détaillés des techniques de rayons X.

Cela a révélé des propriétés auparavant non reconnues du silicium, un matériau clé pour la technologie ; Des informations plus détaillées sur les propriétés du neutron ; Et il a imposé des limitations importantes à la cinquième force, le cas échéant.

“Bien que le silicium soit omniprésent, nous en apprenons toujours plus sur ses propriétés essentielles”, Le physicien Albert Young dit : de l’Université d’État de Caroline du Nord.

“Le neutron, parce qu’il n’a pas de charge, est excellent pour une utilisation comme sonde car il n’interagit pas fortement avec les électrons dans le matériau. Les rayons X ont quelques défauts lors de la mesure des forces atomiques à l’intérieur d’un matériau en raison de leur interaction avec les électrons. “

Les neutrons des noyaux atomiques sont libérés lors de la fission nucléaire. Ils peuvent être focalisés dans des faisceaux qui pénètrent dans le matériau à des profondeurs beaucoup plus élevées que celles obtenues avec les rayons X, et sont diffusés par des noyaux atomiques plutôt que par des électrons atomiques, ce qui signifie qu’ils peuvent être utilisés pour sonder des matériaux de manière complémentaire à X- mesures de rayons.

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“L’une des raisons pour lesquelles nos mesures sont si sensibles est que les neutrons pénètrent dans le cristal beaucoup plus profondément que les rayons X – des centimètres ou plus – et mesurent ainsi un groupe de noyaux beaucoup plus grand”, Le physicien Michael Huber dit : du NIST.

“Nous avons trouvé des preuves que les noyaux et les électrons peuvent ne pas vibrer aussi rigidement qu’on le suppose habituellement. Cela change notre compréhension de la façon dont les atomes de silicium interagissent les uns avec les autres au sein d’un réseau cristallin.”

Pour ce faire, le faisceau de particules est dirigé vers une substance. Une fois que le faisceau pénètre dans le matériau, les neutrons rebondissent et se dispersent à partir du réseau structurel des atomes qu’il contient.

Dans un cristal de silicium idéal, les couches d’atomes du réseau sont disposées dans des plans qui se répètent en espacement et en direction. Faire rebondir finement le faisceau sur ces niveaux peut faire diverger les neutrons sur leur chemin à travers le réseau, produisant de faibles motifs d’interférence appelés oscillations de pendellösung qui révèlent les propriétés structurelles du cristal.

“Imaginez deux guitares identiques”, Huber a dit.

« Frappez de la même manière, et pendant que les cordes vibrent, conduisez l’un sur la route avec des ralentisseurs, c’est-à-dire le long des niveaux d’atomes dans le réseau, et poussez l’autre sur une route de même longueur sans ralentisseurs – similaire à la navigation entre les plans en treillis.

« La comparaison des sons des deux guitares nous dit quelque chose sur les ralentisseurs : quelle est leur taille, à quel point sont-ils lisses et ont-ils des formes intéressantes ? »

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Cette technique a abouti à une nouvelle mesure du rayon de charge en neutrons. Bien que les neutrons soient neutres, les trois quarks qu’ils contiennent ne le sont pas. Le quark up a une charge de +2/3 et les deux quarks down ont chacun une charge de -1/3, ce qui signifie qu’ils s’annulent généralement l’un l’autre.

Mais la charge à l’intérieur du neutron n’est pas uniformément répartie. La charge positive est concentrée au centre et la charge positive est concentrée sur les bords ; La distance entre les deux est appelée rayon de charge.

L’interférométrie de Pendellösung n’est pas soumise aux facteurs qui ont conduit à des divergences entre les mesures précédentes utilisant différentes techniques, ce qui signifie, selon l’équipe, que son résultat peut être essentiel pour réduire la taille de ce faisceau.

Cette technique est également capable de fournir des limitations supplémentaires sur la puissance théorique à courte portée qui doivent encore être découvertes. Dans la nature, selon Forme standard En physique, il existe trois forces, forte, faible et électromagnétique. La gravité, non incluse dans le modèle standard, est considérée comme la quatrième force.

Cependant, pour paraphraser Hamlet, il y a presque certainement plus de choses dans le ciel et sur la terre que ce que nous avons décrit, et certains physiciens ont suggéré qu’il existe une cinquième force inconnue qui pourrait expliquer les observations anormales. S’il est présent, il peut avoir un porteur de force, de la même manière que les photons sont le porteur de force de l’électromagnétisme.

La mesure de la longueur sur laquelle un porteur de force peut agir est inversement proportionnelle à sa masse. Le photon, qui est sans masse, a une portée infinie. L’interférométrie de Pendellösung peut fournir des limitations de portée pour un cinquième porteur de force, ce qui peut à son tour limiter sa force.

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Les résultats de l’équipe ont déterminé que la portée du porte-avions de la Cinquième Force était quinze fois plus grande, ce qui signifie que les futures recherches de la Cinquième Force auraient une portée de recherche plus petite.

“La grande chose à propos de ce travail n’est pas seulement la précision – nous pouvons nous concentrer sur des observations spécifiques dans le cristal – mais nous pouvons également le faire avec une expérience de bureau, pas un gros collisionneur”, Jeune a dit.

« Faire ces petites mesures précises pourrait faire avancer certaines des questions les plus difficiles de la physique fondamentale. »

La recherche a été publiée dans Science.

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