新技術探索中子、矽與第五種基本力細節

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 10 日 17:18 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


透過將中子束打進矽晶體中觀察,科學家能以一種新方式測量中子的電荷半徑,並對自然基本力假設中的第五力設下更明確探索範圍。

為了獲得晶體材料在原子尺度上的微觀特性,科學家會將一束粒子(如 X 射線、電子或中子)瞄準晶體,趁它穿過或彈離材料平面時檢測光束的角度、強度與圖案,而矽可以說是構建一切的通用基礎材料,可以幫助科學家理解測量精度受量子效應限制的性質。

中子則像所有量子物體一樣具有波粒二象性,當中子穿過晶體時,會在布拉格平面(Bragg planes)和頂部形成駐波(standing wave),當來自兩條路徑的波結合(干擾)時,它們會產生稱為 pendellösung 振盪的微弱模式,可深入了解中子在晶體內部所經歷的力。

現在,來自美國國家標準暨技術研究院(NIST)、日本與加拿大的研究團隊,在把中子束射進矽晶體的實驗中將矽晶體結構測量精確度提高了 4 倍,並以一種新方式測量中子電荷半徑。

中子是由 3 個夸克所組成的複合粒子,這些粒子具有不同電特性且分布不均勻,負電荷傾向位於中子外部,正電荷則位於中心,兩者之間的距離就是電荷半徑,只不過這個數字的測量結果差異非常大。

但在帶電環境中分析 pendellösung 振盪為電荷半徑提供了獨特測量方法,在那裡,因為電荷之間距離非常小,原子間電場相對大,此時中子表現得像一個球形複合顆粒,核心略帶正電,周圍殼則略帶負電。在實驗中,科學家發現之前過於低估振動幅度,中子幾乎完全與原子中心或原子核的質子、中子相互作用。

一些實驗和理論表明可能存在第五種基本作用力,研究人員正在計畫利用矽和鍺進行 pendellösung 測量,預計測量不確定性可降低 5 倍,產生迄今為止最精確的中子電荷半徑測量值,並進一步限制第五種力的強度。

新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:美國國家標準暨技術研究院