科学家说，中子束可以帮助揭示自然界难以捉摸的“第五力”

研究人员表示，向硅样品发射中子束可能会导致我们发现一种难以捉摸的、未知的自然“第五力”。

美国国家标准与技术研究所的本杰明希科克领导的一组物理学家使用一种称为彭德洛松干涉测量法的技术，使用中子束以迄今为止达到的最高精度探测硅的晶体结构，获得比 X 射线技术更详细的结果。

这揭示了硅以前未被认识的特性，硅是一种对技术至关重要的材料。关于中子特性的更多详细信息；并对第五力施加了重要的限制，如果它存在的话。

北卡罗来纳州立大学的物理学家 Albert Young 说：尽管硅无处不在，但我们仍在了解它最基本的特性，中子因为它没有电荷，非常适合用作探针，因为它不会与材料内部的电子发生强烈的相互作用。由于 X 射线与电子的相互作用，在测量材料内的原子力时有一些缺点。

在原子核中发现的中子在核裂变过程中被释放。这些可以聚焦成光束，穿透材料的深度比 X 射线所能达到的深度要高得多，并被原子核而不是原子电子散射，这意味着它们可以用来以补充 X 射线的方式探测材料测量。

NIST 的物理学家 Michael Huber 说： 我们的测量如此敏感的一个原因是，中子比 X 射线穿透晶体的深度要深得多，一厘米或更多——因此可以测量更大的原子核集合，我们发现了证据表明原子核和电子可能不会像通常假设的那样刚性振动。这改变了我们对硅原子如何在晶格内相互作用的理解。

为此，粒子束瞄准一种材料。一旦光束穿透材料，中子就会反弹并从其中的原子结构晶格散射开。

在完美的硅晶体中，晶格中的原子片排列在间隔和方向重复的平面中。将光束精确地从这些平面反弹可以导致中子在穿过晶格的路线上发散，产生微弱的干涉图案，称为 pendellösung 振荡，揭示了晶体的结构特性。

胡贝尔说：想象一下两把相同的吉他，以同样的方式拨动它们，当琴弦振动时，将一个带减速带的道路，也就是说，沿着晶格中的原子平面，驱动另一个在没有减速带的相同长度的道路上，类似于在晶格平面之间移动，比较两把吉他的声音可以告诉我们一些关于减速带的信息，它们有多大，有多平滑，它们的形状是否有趣？

这种技术产生了对中子电荷半径的新测量。尽管中子是电中性的，但其中的三个夸克粒子却不是。上夸克带 +2/3 电荷，两个下夸克各带 -1/3 电荷，这意味着它们总体上相互抵消。

但在中子内部，电荷分布并不均匀。正电荷集中在中心，负电荷在边缘；两者之间的距离称为电荷半径。

Pendellösung 干涉测量法不受使用不同技术的先前测量结果差异的影响，这意味着，该团队表示，他们的结果可能是缩小此半径大小的关键。

该技术还能够对尚未发现的理论短程力提供更多限制。在自然界中，根据物理学的标准模型，存在强、弱和电磁三种力。重力，不包括在标准模型中，被认为是第四种力。

然而，用哈姆雷特的话来说，天地之间的事物几乎肯定比我们描述的要多，一些物理学家提出，有一种未知的第五力可以解释异常观测。如果它存在，那么它可能有一个力载体，就像光子是电磁力的载体一样。

力载体可以作用的长度尺度与其质量成反比。无质量的光子具有无限的范围。Pendellösung 干涉测量可以限制第五力载体的范围，这反过来又可以限制其强度。

该团队的结果将第五部队的范围限制了十倍，这意味着未来对第五部队的搜索范围更小。

杨说：这项工作的伟大之处不仅在于精度，我们可以在晶体中磨练特定的观察结果，而且我们可以通过桌面实验而不是大型对撞机来做到这一点，进行这些小规模、精确的测量可以在基础物理学中一些最具挑战性的问题上取得进展。