开创性的技术产生的结果对长期理论化的自然第五力的限制

　　利用美国国家标准和技术研究所（NIST）的一项突破性的新技术，由NIST研究人员领导的一项国际合作揭示了技术上至关重要的硅晶体以前未被认可的特性，并发现了关于一个重要的亚原子粒子和一种长期理论化的自然第五力的新信息。
　　通过将被称为中子的亚原子粒子瞄准硅晶体，并以极高的灵敏度监测结果，nist的科学家们获得了三项非凡的结果：20年来首次用独特的方法测量关键中子特性；测量硅晶体中与热有关的振动的影响的精度最高；以及对标准物理理论之外的第五力强度的限制。
　　研究人员在杂志上报道了他们的发现。科学。
　　为了获得有关原子尺度上的晶体材料的信息，科学家通常将一束粒子（如X射线、电子或中子）对准晶体，并检测出光束在晶格状原子几何学中通过或弹射出平面时的角度、强度和图案。
　　当中子穿过晶体时，它们会产生两种不同的驻波一种是沿原子面，另一种是在它们之间。这些波的相互作用影响了中子的路径，揭示了晶体结构的各个方面。
　　这些信息对于描述微芯片组件和各种新型纳米材料的电子、机械和磁性特性至关重要，这些新的纳米材料包括量子计算。我们已经知道了很多，但是持续的进步需要越来越详细的知识。
　　大大提高对硅晶体结构的理解，这是一种通用基板或基础材料，一切都是建立在这种基础上的，这对于理解元件的性质将是至关重要的。准确度测量的范围受到量子效应的限制，NIST高级项目科学家MichaelHuber说。中子、原子和角
　　像所有的量子物体一样，中子具有点状粒子和波性质。当中子穿过晶体时，它形成驻波（就像弹拨的吉他弦），在被称为布拉格面的一排排或片状原子的中间和顶部形成驻波。当这两条路线中的每一条波结合在一起，或用物理学的说法干扰时，它们就会产生被称为Pendellsung振荡的微弱模式，从而提供对中子在晶体内部所经历的力量的洞察。
　　原子核中的每个中子都是由三个叫做夸克的基本粒子组成的。三夸克的电荷之和为零，使其电中性。但是这些电荷的分布使得正电荷更有可能出现在中子中心，负电荷向外移动。
　　想象一下两把一模一样的吉他，胡伯说。用同样的方式拔出它们，当弦振动时，沿着一条有速度颠簸的道路也就是沿着晶格中原子的平面驱动另一条没有速度颠簸的相同长度的道路类似于在晶格平面之间移动。对比这两把吉他的声音，我们可以了解到一些关于速度颠簸的东西：它们有多大，有多光滑，它们有什么有趣的形状？
　　这项最新的工作是在马里兰州盖瑟斯堡的NIST中子研究中心（NCNR）与来自日本、美国和加拿大的研究人员合作进行的，结果使硅晶体结构的精确测量提高了四倍。非中性中子
　　在一个引人注目的结果中，科学家们用一种新的方法测量了中子的电电荷半径，其半径值的不确定性与其他方法的最精确的先验结果相竞争。中子是电中性的，顾名思义。但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，它们具有不同的电学性质，它们的分布并不是完全均匀的。
　　因此，主要来自一种夸克的负电荷倾向于位于中子的外部，而净正电荷则位于中心。这两种浓度之间的距离是电荷半径。这一维度对基本物理学很重要，已经通过类似类型的实验进行了测量，这些实验的结果相差很大。新的Pendellsung数据不受被认为导致这些差异的因素的影响。
　　在像硅这样的普通晶体中，有许多平行的原子片，每个原子形成一个平面。用中子探测不同的平面揭示了晶体的不同方面。
　　在带电环境中测量Pendellsung振荡提供了一种测量电荷半径的独特方法。NIST的本杰明希科克（BenjaminHeacock）说：当中子在晶体中时，它就在原子电云中。
　　在那里，因为电荷之间的距离很小，原子间的电场是巨大的，大约是每厘米一亿伏特。因为这个非常非常大的场，我们的技术对这样一个事实很敏感，那就是中子的行为就像一个球状的复合粒子，它有一个略正的核和一个稍负的外壳。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。但是它的精确性受到热引起的原子运动的限制。热振动使晶面间的距离不断变化，从而改变被测的干涉图。
　　科学家们利用中子pendellsung振荡测量来测试X射线散射模型预测的数值，并发现有些人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有价值的补充信息。中子几乎完全与原子的中心或原子核处的质子和中子相互作用，胡伯说，x射线揭示了电子是如何排列在原子核之间的。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，中子穿透晶体的深度比x射线（一厘米或更多）要深得多，因此测量的原子核组装量要大得多。我们发现有证据表明原子核和电子可能不会僵硬地振动。，就像人们普遍认为的那样。这改变了我们对硅原子如何在晶格内相互作用的理解。第五力
　　这个标准模型是目前被广泛接受的粒子和力如何在最小尺度上相互作用的理论。但是，对于自然界是如何工作的，这是一个不完整的解释，科学家们怀疑宇宙中有比理论所描述的更多的东西。
　　标准模型描述了本质上的三种基本力：电磁力、强力和弱力。每种力都是通过载体粒子的作用作用的。例如，光子是电磁力的载体。但标准模型尚未将引力纳入其对自然的描述。此外，一些实验和理论表明可能存在第五种力。
　　Heacock说：一般说来，如果有一个力载体，其作用的长度尺度与其质量成反比。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无限的范围内工作。所以，如果我们能把它的作用范围限定在一定范围内，我们就可以限制它的力量。科学家们的结果改善了对潜在第五力的限制，使之在0。02纳米（纳米，十亿分之一米）到10纳米之间的长度范围内增加了十倍，使第五力猎手的视野缩小了。
　　研究人员已经计划用硅和锗进行更广泛的Pendellsung测量。他们预计测量不确定度可能会减少5倍，这可能会产生迄今为止对中子电荷半径最精确的测量，并进一步限制或发现第五种力。他们还计划进行低温实验，这将有助于深入了解晶体原子在所谓的量子基态中的行为，这就解释了即使在接近温度的情况下，量子物体也永远不会完美无缺地静止下来这一事实。绝对零度。