Czy fizycy odkryją piątą siłę natury?

Interferometria Pendellösung pozwoli na odkrycie piątej siły natury?

Najnowsze eksperymenty wskazują, że wystrzeliwanie wiązek neutronów w próbki krzemu może doprowadzić do powstania nieuchwytnej „piątej siły” natury. Trudno mówić o przełomie, ale to na pewno ważny krok dla fizyków teoretycznych.

Zespół fizyków z amerykańskiego National Institute of Standards and Technology (NIST) pod kierownictwem Benjamina Heacocka użył wiązek neutronów do zbadania struktury krystalicznej krzemu. Wykorzystując technikę o bardzo egzotycznej nazwie interferometrii Pendellösung, naukowcom udało się osiągnąć precyzję większą od standardowych technik rentgenowskich. To z kolei ujawniło nieznane wcześniej właściwości krzemu, a także szczegóły o neutronach. Wyniki opublikowano w Science.

Mimo, że krzem jest wszechobecny, wciąż poznajemy jego najbardziej podstawowe właściwości. Neutron, jako że nie ma ładunku, doskonale nadaje się do wykorzystania jako sonda, ponieważ nie oddziałuje silnie z elektronami wewnątrz materiału. Promienie rentgenowskie mają pewne wady przy pomiarze sił atomowych w materiale ze względu na ich oddziaływanie z elektronami.

Albert Young, fizyk z North Carolina State University

Krzem odkrywa tajemnice

Neutrony to cząstki subatomowe występujące w jądrach atomowych. Są elektrycznie obojętne, mają spin połówkowy. Są uwalniane podczas procesu rozszczepienia jądra atomowego. Mogą być skupiane w wiązki, które przenikają materiały znacznie bardziej niż promieniowanie rentgenowskie.

Jednym z powodów, dla których nasze pomiary są tak czułe jest to, że neutrony wnikają znacznie głębiej w kryształ niż promienie rentgenowskie – na centymetr lub więcej – i w ten sposób mierzą znacznie większe skupiska jąder. Znaleźliśmy dowody na to, że jądra i elektrony mogą nie drgać sztywno, jak się powszechnie uważa. To pogłębia nasze rozumienie tego, jak atomy krzemu oddziałują ze sobą wewnątrz sieci krystalicznej.

Michael Huber, fizyk z NIST

Naukowcy z NIST skierowali wiązkę neutronów na kryształ krzemu. Gdy cząstki bombardują materiał, neutrony odbijają się i rozpraszają od siatki atomów tworzących sieć krystaliczną. Ponieważ mówimy o krysztale, odstępy między atomami są ułożone w powtarzających się wzorach, a odbijające się neutrony mogą generować subtelne wzory interferencyjne zwane oscylacjami Pendellösung. Jest to podstawa tzw. dynamicznej teorii dyfrakcji opisującej interakcję fal z regularną siecią. W ten sposób można ujawnić strukturalne właściwości kryształu.

Dzięki temu uzyskano nowy pomiar promienia ładunku w neutronie. Ale jakiego ładunku, skoro neutrony są elektrycznie obojętne? Okazuje się, że kwarki je tworzące obojętne już nie są. Kwark górny ma ładunek +2/3, a każdy z dwóch kwarków dolnych -1/3, co oznacza, że sumarycznie neutron jest obojętny.

Ładunek wewnątrz neutronu nie jest rozłożony równomiernie. Kwark górny koncentruje się bliżej centrum, a dolne wokół krawędzi – odległość między nimi to wspomniany promień ładunku.

Gdzie jest piąta siła?

W przyrodzie występują trzy rodzaje oddziaływań: elektromagnetyczne, słabe i silne. Czwarty rodzaj oddziaływań – grawitacja – nie jest uwzględniona w modelu standardowym. Fizycy zaproponowali, że istnieje nieznana piąta siła, która mogłaby wyjaśniać anomalie w obserwacjach. Jeżeli to prawda, może mieć taki związek z grawitacją, jaki mają fotony z elektromagnetyzmem.

Skala długości, na jaką może działać nośnik siły, jest odwrotnie proporcjonalna do jego masy. Fotony są bezmasowe, więc mają nieograniczony zasięg. Interferometria Pendellösung może dostarczyć informacji dotyczących nośnika piątej siły, co z kolei może przełożyć się na jej odkrycie.

Eksperymenty fizyków z NIST ograniczyły zasięg nośnika piątej siły aż dziesięciokrotnie, więc przyszłe poszukiwania piątej siły będą miały mniejszy zakres.

Ważną rzeczą w tych badaniach jest nie tylko precyzja – możemy skupić się na konkretnych obserwacjach w krysztale – ale również to, że możemy to zrobić za pomocą prostego eksperymentu, a nie akceleratora cząstek. Dokonanie tych precyzyjnych pomiarów na małą skalę może przyczynić się do postępu w niektórych z najtrudniejszych pytań dotyczących fizyki fundamentalnej.

Albert Young