11.4 C
Brussel
Woensdag, Maart 27, 2024
NuusBaanbrekerstegniek lewer buitengewone resultate – beperkings op lang-teoretiseerde “vyfde krag” van...

Baanbrekerstegniek lewer buitengewone resultate – beperkings op lang-teoretiseerde “vyfde krag” van die natuur

VRYWARING: Inligting en menings wat in die artikels weergegee word, is dié van diegene wat dit vermeld en dit is hul eie verantwoordelikheid. Publikasie in The European Times beteken nie outomaties onderskrywing van die siening nie, maar die reg om dit uit te druk.

VRYWARINGVERTALINGS: Alle artikels op hierdie webwerf word in Engels gepubliseer. Die vertaalde weergawes word gedoen deur 'n outomatiese proses bekend as neurale vertalings. As jy twyfel, verwys altyd na die oorspronklike artikel. Dankie vir die begrip.

Deeltjieversneller Fisika-konsep

Deur 'n baanbrekende nuwe tegniek by die Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie (NIST) te gebruik, het 'n internasionale samewerking onder leiding van NIST-navorsers voorheen onherkenbare eienskappe van tegnologies belangrike silikonkristalle onthul en nuwe inligting oor 'n belangrike subatomiese deeltjie en 'n lang teoretiseerde vyfde krag ontbloot. van die natuur.

Deur subatomiese deeltjies bekend as neutrone op silikonkristalle te rig en die uitkoms met uitstekende sensitiwiteit te monitor, kon die NIST-wetenskaplikes drie buitengewone resultate verkry: die eerste meting van 'n sleutelneutron-eienskap in 20 jaar met behulp van 'n unieke metode; die hoogste-presisiemetings van die effekte van hitteverwante vibrasies in 'n silikonkristal; en beperkings op die sterkte van 'n moontlike "vyfde krag" buite standaard fisika-teorieë.

Die navorsers rapporteer hul bevindinge in die joernaal Wetenskap.

Om inligting oor kristallyne materiale op die atoomskaal te bekom, rig wetenskaplikes tipies 'n straal deeltjies (soos X-strale, elektrone of neutrone) na die kristal en bespeur die straal se hoeke, intensiteite en patrone soos dit deurgaan of afbreek. vlakke in die kristal se roosteragtige atoomgeometrie.

Neutron staande golwe in silikon kristal

Soos neutrone deur 'n kristal beweeg, skep hulle twee verskillende staande golwe - een langs atoomvlakke en een tussen hulle. Die interaksie van hierdie golwe beïnvloed die pad van die neutron, wat aspekte van die kristalstruktuur openbaar. Krediet: NIST

Daardie inligting is krities belangrik vir die karakterisering van die elektroniese, meganiese en magnetiese eienskappe van mikroskyfiekomponente en verskeie nuwe nanomateriale vir die volgende generasie toepassings, insluitend quantum computing. Baie is reeds bekend, maar volgehoue ​​vordering vereis toenemend gedetailleerde kennis.

“'n Heeltemal verbeterde begrip van die kristalstruktuur van silikon, die 'universele' substraat of fondamentmateriaal waarop alles gebou is, sal deurslaggewend wees om die aard van komponente wat naby die punt werk waar die akkuraatheid van metings word beperk deur kwantum-effekte,” het NIST senior projekwetenskaplike Michael Huber gesê.

Neutrone, Atome en Hoeke

Soos alle kwantumvoorwerpe, het neutrone beide puntagtige deeltjie- en golfeienskappe. Soos 'n neutron deur die kristal beweeg, vorm dit staande golwe (soos 'n geplukte kitaarsnaar) tussen en bo-op rye of velle atome wat Bragg-vliegtuie genoem word. Wanneer golwe van elk van die twee roetes kombineer, of "inmeng" in die spreektaal van fisika, skep hulle dowwe patrone wat pendellösung-ossillasies genoem word, wat insig gee in die kragte wat neutrone in die kristal ervaar.

Binne die neutron

Elke neutron in 'n atoomkern bestaan ​​uit drie elementêre deeltjies wat kwarke genoem word. Die drie kwarks se elektriese lading som tot nul, wat dit elektries neutraal maak. Maar die verspreiding van daardie ladings is sodanig dat positiewe ladings meer waarskynlik in die middel van die neutron gevind sal word, en negatiewe ladings na buite. Krediet: NIST

"Stel jou twee identiese kitare voor," het Huber gesê. “Pluk hulle op dieselfde manier, en terwyl die snare vibreer, ry een in 'n pad met spoedwalle - dit wil sê langs die vlakke van atome in die rooster - en ry die ander in 'n pad van dieselfde lengte sonder die spoedwalle - analoog aan beweeg tussen die tralievlakke. Om die klanke van albei kitare te vergelyk, vertel ons iets oor die spoedwalle: hoe groot hulle is, hoe glad, en het hulle interessante vorms?”

Die jongste werk, wat by die NIST-sentrum vir neutronnavorsing (NCNR) in Gaithersburg, Maryland, in samewerking met navorsers van Japan, die VSA en Kanada gedoen is, het gelei tot 'n viervoudige verbetering in presisiemeting van die silikonkristalstruktuur.

Nie-heeltemal-neutrale neutrone nie

In een treffende resultaat het die wetenskaplikes die elektriese "ladingsradius" van die neutron op 'n nuwe manier gemeet met 'n onsekerheid in die radiuswaarde wat mededingend is met die mees akkurate vorige resultate deur ander metodes te gebruik. Neutrone is elektries neutraal, soos hul naam aandui. Maar hulle is saamgestelde voorwerpe wat bestaan ​​uit drie elementêre gelaaide deeltjies genoem kwarke met verskillende elektriese eienskappe wat nie presies eenvormig versprei is nie.

Gevolglik is oorwegend negatiewe lading van een soort kwark geneig om na die buitenste deel van die neutron geleë te wees, terwyl netto positiewe lading na die middelpunt geleë is. Die afstand tussen daardie twee konsentrasies is die "ladingsradius." Daardie dimensie, belangrik vir fundamentele fisika, is gemeet deur soortgelyke tipe eksperimente waarvan die resultate aansienlik verskil. Die nuwe pendellösung-data word nie beïnvloed deur die faktore wat vermoedelik tot hierdie verskille kan lei nie.

Galery van Crystal Planes

In 'n gereelde kristal soos silikon is daar baie parallelle velle atome, wat elkeen 'n vlak vorm. Deur verskillende vlakke met neutrone te ondersoek, onthul verskillende aspekte van die kristal. Krediet: NIST

Die meting van die pendellösung-ossillasies in 'n elektries gelaaide omgewing bied 'n unieke manier om die ladingsradius te meet. "Wanneer die neutron in die kristal is, is dit goed binne die atoom-elektriese wolk," het NIST se Benjamin Heacock, die eerste skrywer op die Wetenskap papier.

“Daarbinne, omdat die afstande tussen ladings so klein is, is die interatomiese elektriese velde enorm, in die orde van honderd miljoen volt per sentimeter. As gevolg van daardie baie, baie groot veld, is ons tegniek sensitief vir die feit dat die neutron optree soos 'n sferiese saamgestelde deeltjie met 'n effens positiewe kern en 'n effens negatiewe omringende dop.”

Vibrasies en onsekerheid

'n Waardevolle alternatief vir neutrone is X-straalverstrooiing. Maar die akkuraatheid daarvan is beperk deur atoombeweging wat deur hitte veroorsaak word. Termiese vibrasie veroorsaak dat die afstande tussen kristalvlakke aanhou verander, en verander dus die interferensiepatrone wat gemeet word.

Die wetenskaplikes het neutronpendellösung-ossillasiemetings gebruik om die waardes te toets wat deur X-straalverstrooiingsmodelle voorspel is en gevind dat sommige die omvang van die vibrasie aansienlik onderskat.

Die resultate verskaf waardevolle aanvullende inligting vir beide x-straal- en neutronverstrooiing. "Neutrone interaksie byna heeltemal met die protone en neutrone by die sentrums, of kerne, van die atome," het Huber gesê, "en x-strale onthul hoe die elektrone tussen die kerne gerangskik is. Hierdie aanvullende kennis verdiep ons begrip.

“Een rede waarom ons metings so sensitief is, is dat neutrone baie dieper in die kristal dring as x-strale – ’n sentimeter of meer – en dus ’n baie groter samestelling van kerne meet. Ons het bewyse gevind dat die kerne en elektrone dalk nie styf vibreer niesoos algemeen aanvaar word. Dit verskuif ons begrip oor hoe silikonatome met mekaar in 'n kristalrooster in wisselwerking tree.

Force Vyf

Die Standaardmodel is die huidige, algemeen aanvaarde teorie van hoe deeltjies en kragte op die kleinste skale in wisselwerking tree. Maar dit is 'n onvolledige verduideliking van hoe die natuur werk, en wetenskaplikes vermoed daar is meer aan die heelal as wat die teorie beskryf.

Die Standaardmodel beskryf drie fundamentele kragte in die natuur: elektromagneties, sterk en swak. Elke krag werk deur die werking van "draerdeeltjies." Die foton is byvoorbeeld die kragdraer vir die elektromagnetiese krag. Maar die Standaardmodel moet nog swaartekrag in sy beskrywing van die natuur insluit. Verder stel sommige eksperimente en teorieë die moontlike teenwoordigheid van 'n vyfde krag voor.

"In die algemeen, as daar 'n kragdraer is, is die lengteskaal waaroor dit optree omgekeerd eweredig aan sy massa," wat beteken dat dit slegs ander deeltjies oor 'n beperkte reeks kan beïnvloed, het Heacock gesê. Maar die foton, wat geen massa het nie, kan oor 'n onbeperkte reeks optree. "Dus, as ons die reeks waaroor dit kan optree, kan ons die krag daarvan beperk." Die wetenskaplikes se resultate verbeter beperkings op die sterkte van 'n potensiële vyfde krag met tienvoudig oor 'n lengteskaal tussen 0.02 nanometer (nm, biljoenstes van 'n meter) en 10 nm, wat vyfdekragjagters 'n vernoude reikwydte gee waaroor hulle kan kyk.

Die navorsers beplan reeds meer uitgebreide pendellösung-metings met beide silikon en germanium. Hulle verwag 'n moontlike faktor van vyf vermindering in hul meting onsekerhede, wat die mees presiese meting van die neutronlading radius tot op datum kan produseer en verder beperk - of ontdek - 'n vyfde krag. Hulle beplan ook om 'n kryogeniese weergawe van die eksperiment uit te voer, wat insig sal gee in hoe die kristalatome in hul sogenaamde "kwantumgrondtoestand" optree, wat verantwoordelik is vir die feit dat kwantumvoorwerpe nooit heeltemal stil is nie, selfs by temperature wat nader kom. absolute nul.

Verwysing: "Pendellösung Interferometry Probes the Neutron Charge Radius, Lattice Dynamics, and Fifth Forces" deur Benjamin Heacock, Takuhiro Fujiie, Robert W. Haun, Albert Henins, Katsuya Hirota, Takuya Hosobata, Michael G. Huber, Masaaki Kitaguchi, Dmitry A. Pushin, Hirohiko Shimizu, Masahiro Takeda, Robert Valdillez, Yutaka Yamagata en Albert Young, 9 September 2021, Wetenskap.
DOI: 10.1126/science.abc2794

- Advertensie -

Meer van die skrywer

- EKSKLUSIEWE INHOUD -kol_img
- Advertensie -
- Advertensie -
- Advertensie -kol_img
- Advertensie -

Moet lees

Jongste artikels

- Advertensie -