验旧人员发现重要的亚原子粒子和长期以来理论上的“自然界第五力”的新信息

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利用美国国家标准与技术研究所(NIST)的一项突破性的新技术,一个由NIST研究人员领导的国际合作团队揭示了以前未被认识到的对技术至关重要的硅晶体的特性,并发现了有关一种重要的亚原子粒子和长期以来理论上的“自然界第五力”的新信息。

通过将被称为中子的亚原子粒子瞄准硅晶体并以高灵敏度监测其结果,NIST的科学家们能够获得三个非凡的结果:20年来首次使用一种独特的方法测量一个关键的中子特性;对硅晶体中与热有关的振动的影响进行最高精度的测量;以及对可能的"第五力"的强度进行限制,使其超出标准物理学理论。

在像硅这样的规则晶体中,有许多平行的原子片,每个原子片形成一个平面。用中子探测不同的平面,可以发现晶体的不同方面。

研究人员在《科学》杂志上报告了他们的发现。

为了在原子尺度上获得有关晶体材料的信息,科学家们通常将一束粒子(如X射线、电子或中子)对准晶体,并在它穿过或弹开晶体的格子状原子几何形状的平面时检测该束的角度、强度和模式。这些信息对于表征微芯片组件和各种新型纳米材料的电子、机械和磁性能至关重要,可用于下一代应用,包括量子计算。我们已经知道了很多,但继续进步需要越来越详细的知识。

NIST高级项目科学家Michael Huber说:"对硅的晶体结构有了极大的了解,硅是'通用'的基底或基础材料,一切都建立在它上面,这对于了解在测量的准确性受限于量子效应的点附近运行的组件的性质将是至关重要的。"

中子、原子和角度

像所有的量子物体一样,中子同时具有点状粒子和波的特性。当一个中子穿过晶体时,它在被称为Bragg平面的原子行或原子片之间和上面形成驻波(像弹奏的吉他弦)。当来自这两条路线中的每一条的波结合起来,或者用物理学的说法是"干涉",它们就会产生微弱的模式,称为penDELLösung振荡,从而提供对中子在晶体内所经历的力量的洞察力。

"想象一下两把相同的吉他,"Huber说。"以同样的方式拨动它们,当琴弦振动时,驱动其中一把走在有减速带的路上–即沿着晶格中的原子平面–并驱动另一把走在同样长度的没有减速带的路上–类似于在晶格平面之间移动。比较两把吉他的声音可以告诉我们一些关于减速带的信息:它们有多大,有多光滑,以及它们是否有有趣的形状?"

最新的工作是在马里兰州盖瑟斯堡的NIST中子研究中心(NCNR)进行的,与来自日本、美国和加拿大的研究人员合作,使硅晶体结构的精确测量提高了4倍。

原子核中的每个中子都是由三个称为夸克的基本粒子组成的。这三个夸克的电荷之和为零,使其呈电中性。但这些电荷的分布是这样的:正电荷更可能出现在中子的中心,而负电荷则朝外。

 

不完全中立的中子

在一个引人注目的结果中,科学家们以一种新的方式测量了中子的电"电荷半径",其半径值的不确定性与之前使用其他方法得出的最精确的结果相竞争。中子是电中性的,正如它们的名字所示。但是它们是由三个被称为夸克的基本带电粒子组成的复合物体,这些粒子具有不同的电气特性,并不完全均匀分布。

因此,来自一种夸克的主要负电荷倾向于位于中子的外部,而净正电荷则位于中心。这两个浓度之间的距离就是"电荷半径"。这个对基础物理学很重要的维度,已经被类似类型的实验所测量,其结果有很大的不同。新的pendellösung数据不受那些被认为是导致这些差异的因素的影响。

测量带电环境中的pendellösung振荡提供了一种测量电荷半径的独特方式。"当中子在晶体中时,它完全在原子电云内,"NIST的Benjamin Heacock说,他是《科学》论文的第一作者。

"在那里,由于电荷之间的距离是如此之小,原子间的电场是巨大的,大约是每厘米1亿伏。由于那个非常、非常大的电场,我们的技术对这样一个事实很敏感,即中子表现得像一个球形的复合粒子,有一个略带正的核心和一个略带负的周围外壳。"

振动和不确定性

中子的一个有价值的替代方法是X射线散射。但是它的准确性一直受到由热引起的原子运动的限制。热振动导致晶体平面之间的距离不断变化,从而改变了被测量的干扰模式。

科学家们采用中子垂线振荡测量法来测试X射线散射模型所预测的数值,并发现有些模型明显低估了振动的幅度。

这些结果为X射线和中子散射提供了宝贵的补充信息。Huber说:"中子几乎完全与原子中心或原子核的质子和中子相互作用,而X射线则揭示了电子在原子核之间是如何排列的。这种互补的知识加深了我们的理解。"

"我们的测量如此敏感的一个原因是,中子比X射线更深入地穿透晶体–一厘米或更多–从而测量更大的原子核组合。我们已经发现证据表明,原子核和电子可能并不像通常假设的那样僵硬地振动。这改变了我们对硅原子在晶格内如何相互作用的理解。"

第五种力量

标准模型是目前广泛接受的关于粒子和力量如何在最小尺度上相互作用的理论。但这是对自然界如何运作的一个不完整的解释,科学家们怀疑现实存在比该理论描述的更多。

标准模型描述了自然界中的三种基本力量:电磁力、强力和弱力。每种力都是通过"载体粒子"的作用而运作的。例如,光子是电磁力的力的载体。但标准模型尚未将引力纳入其对自然界的描述中。此外,一些实验和理论表明,可能存在第五种力。

Heacock说:"一般来说,如果有一个力的载体,它发挥作用的长度尺度与它的质量成反比,"这意味着它只能在有限的范围内影响其他粒子。但是没有质量的光子可以在一个无限的范围内发挥作用。因此,如果我们能够包围它可能采取行动的范围,我们就可以限制它的强度。"科学家们的研究结果在0.02纳米(纳米,十亿分之一米)和10纳米之间的长度范围内将潜在第五力的强度限制提高了十倍,这给了第五力的探寻者们一个更小的范围。

研究人员已经在计划使用硅和锗进行更广泛的pendellösung测量。他们预计测量的不确定性可能会减少五倍,这可能会产生迄今为止对中子电荷半径的最精确测量,并进一步限制–或发现–第五力。他们还计划进行低温版本的实验,这将有助于深入了解晶体原子在其所谓的"量子基态"中的行为,这说明量子物体从未完全静止,即使是在接近绝对零度的温度下。

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