新技术探索中子、硅与第五种基本力细节

通过将中子束打进晶体硅体中观察,科学家能以一种新方式测量中子的电荷半径,并对自然基本力假设中的第五力设下更明确探索范围。

为了获得晶体材料在原子尺度上的微观特性,科学家会将一束粒子(如X射线、电子或中子)瞄准晶体,趁它穿过或弹离材料平面时检测光束的角度、强度与图案,而硅可以说是构建一切的通用基础材料,可以帮助科学家理解测量精度受量子效应限制的性质。

中子则像所有量子物体一样具有波粒二象性,其中子穿过晶体时,会在布拉格平面(Bragg planes)和顶部形成驻波(standing wave),当来自两条路径的波结合(干扰)时,它们会产生称为pendellösung振荡的微弱模式,可深入了解中子在晶体内部所经历的力。

现在,来自美国国家标准暨技术研究院(NIST)、日本与加拿大的研究团队,在把中子束射进晶体硅体的实验中将晶体硅体结构测量精确度提高了4倍,并以一种新方式测量中子电荷半径。

中子是由3个夸克所组成的复合粒子,这些粒子具有不同电特性且分布不均匀,负电荷倾向位于中子外部,正电荷则位于中心,两者之间的距离就是电荷半径,只不过这个数字的测量结果差异非常大。

但在带电环境中分析pendellösung振荡为电荷半径提供了独特测量方法,在那里,因为电荷之间距离非常小,原子间电场相对大,此时中子表现得像一个球形复合颗粒,核心略带正电,周围壳则略带负电。在实验中,科学家发现之前过于低估振动幅度,中子几乎完全与原子中心或原子核的质子、中子相互作用。

一些实验和理论表明可能存在第五种基本作用力,研究人员正在计划利用硅和锗进行pendellösung测量,预计测量不确定性可降低5倍,产生迄今为止最精确的中子电荷半径测量值,并进一步限制第五种力的强度。

新论文发布在《科学》(Science)期刊。

(首图来源:美国国家标准暨技术研究院)

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