Фізики з Національного інституту стандартів і технологій під керівництвом Бенджаміна Хікока застосували метод маятникової інтерферометрії та пучки нейтронів для дослідження кристалічної структури кремнію з унікальною точністю. Цей метод дав змогу отримати детальнішу інформацію, ніж при використанні рентгенівських методів.
Експеримент допоміг виявити раніше невідомі властивості кремнію, який є критичним матеріалом для багатьох технологій. Крім того, було отримано нову інформацію про властивості нейтронів, а також було встановлено важливі обмеження на п'яту силу, якщо вона дійсно існує.
"Ми все ще вивчаємо основні властивості кремнію, незважаючи на те, що він широко поширений", - каже фізик Альберт Янг з Університету штату Північна Кароліна.
Нейтрони, які знаходяться в атомних ядрах, можуть бути вивільнені під час поділу ядер. Використання пучків нейтронів дає змогу проникати глибше в матеріали, ніж рентгенівські промені, і отримувати інформацію про атомні сили, які не можуть бути виміряні рентгенівськими методами. Це пов'язано з тим, що нейтрони не взаємодіють з електронами всередині матеріалу так сильно, як рентгенівські промені.
"Одна з основних причин високої чутливості наших вимірювань полягає у здатності нейтронів проникати в кристал на значно більшу глибину, ніж рентгенівські промені - до сантиметра і навіть більше, вимірюючи в такий спосіб значно більше ядер," - пояснює фізик Майкл Хубер з NIST.
"Ми виявили докази того, що ядра та електрони можуть коливатися менш жорстко, ніж зазвичай передбачається. Це змінює наше розуміння взаємодії атомів кремнію один з одним всередині кристалічної решітки".
У цьому процесі пучок частинок спрямовується на матеріал. Проникаючи в матеріал, нейтрони відбиваються і розсіюються на атомній структурі.
В ідеальному кристалі кремнію атоми в решітці впорядковані в площинах, які мають однакову відстань та орієнтацію один від одного. Точне відбиття променів від цих площин може призвести до розбіжності нейтронів у своїх траєкторіях через решітку, створюючи слабкі інтерференційні образи, відомі як осциляції Пенделлозунга, які розкривають структурні характеристики кристала.
"Уявіть дві ідентичні гітари", - пояснює Хубер.
"Налаштуйте їх однаково і дозвольте струнам коливатися. Проведіть одну гітару дорогою зі змінною швидкістю - тобто вздовж площин атомів у решітці - та іншу дорогою тієї ж довжини, але без зміни швидкості - аналогічно переміщенню між площинами решітки".
"Порівнюючи звуки обох гітар, ми можемо дізнатися щось про нерівності: наскільки вони високі, наскільки гладенькі, чи є в них цікава форма?"
Ця технологія дає змогу визначити новий вимір радіуса заряду в нейтронах. Незважаючи на те що нейтрони мають нейтральний заряд, три кварки всередині них мають різні заряди. Висхідний кварк має заряд +2/3, а два спадні кварки мають заряд -1/3 кожен, що в сумі дає нейтральний заряд.
Однак всередині нейтрона заряд розташовується нерівномірно. Позитивний заряд зосереджений у центрі, а негативний - на периферії; відстань між ними і називається радіусом заряду.
Пенделлозунгова інтерферометрія не схильна до впливу чинників, що спричиняють розбіжності між попередніми вимірюваннями, виконаними з використанням різних методів. Це означає, що результати дослідницької групи можуть стати вирішальними для визначення розміру даного радіуса.
Такий підхід також може забезпечити більше обмежень на поки що невідкриту теоретичну силу ближньої дії. У природі, відповідно до Стандартної моделі фізики, існують три сили: сильна, слабка та електромагнітна. Гравітація, не включена до Стандартної моделі, вважається четвертою силою.
Однак існує ймовірність наявності більшої кількості сил, ніж ми знаємо, і деякі вчені припускають, що існує невідома п'ята сила, яка пояснює аномальні спостереження. Якщо вона дійсно існує, то в неї має бути носій, аналогічно фотонам, які є носіями електромагнетизму.
Результати дослідження команди скоротили діапазон носія п'ятої сили вдесятеро, що свідчить про те, що майбутні дослідження п'ятої сили проводитимуться у вужчому діапазоні.
"Найдивовижніше в цій роботі - це не тільки точність, що дає змогу зосередитися на певних спостережуваних параметрах у кристалі, а й можливість проводити такі експерименти на столі, а не у великому колайдері", - ділиться своєю радістю Янг.
"Такі маломасштабні й точні вимірювання можуть сприяти прогресу у вирішенні деяких із найскладніших питань основної фізики."
