El disparo de haces de neutrones en muestras de silicio podría conducir a una elusiva ‘quinta fuerza’ desconocida para la naturaleza, según los investigadores.

Usando una técnica llamada interferometría de Pendellösung, un equipo de físicos dirigido por Benjamin Heacock del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, utilizó haces de neutrones para sondear la estructura cristalina del silicio con la mayor precisión jamás lograda, obteniendo resultados más detallados que las técnicas de rayos X.

Esto reveló propiedades previamente desconocidas en el silicio, un material crucial para la tecnología; información más detallada sobre las propiedades de los neutrones; e impuso importantes restricciones a la quinta fuerza, si existe.

«Aunque el silicio es omnipresente, todavía estamos aprendiendo sobre sus propiedades más básicas», dice el físico Albert Young de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

“El neutrón, como no tiene carga, es excelente para usar como sonda porque no interactúa fuertemente con los electrones dentro del material. Los rayos X tienen algunas desventajas al medir las fuerzas atómicas dentro de un material debido a su interacción con los electrones. «

Los neutrones, que se encuentran en los núcleos atómicos, se liberan durante la fisión nuclear. Estos pueden enfocarse en haces que penetran materiales a profundidades mucho mayores de lo que se puede lograr con rayos X y se dispersan a través de núcleos atómicos en lugar de electrones atómicos, lo que significa que pueden usarse para sondear materiales de manera que complementen las medidas de rayos X.

«Una de las razones por las que nuestras mediciones son tan sensibles es que los neutrones penetran mucho más profundamente en el cristal que los rayos X, un centímetro o más, y por lo tanto miden un conjunto de núcleos mucho más grande». dice el físico Michael Huber de NIST.

«Encontramos evidencia de que los núcleos y los electrones pueden no vibrar rígidamente, como se supone comúnmente. Esto cambia nuestra comprensión de cómo los átomos de silicio interactúan entre sí dentro de una estructura cristalina».

Para hacer esto, el haz de partículas se dirige a un material. Una vez que el haz penetra en el material, los neutrones rebotan y se dispersan a través de la red estructural de átomos.

En un cristal de silicio perfecto, las láminas de átomos en la red están dispuestas en planos que se repiten en espaciado y orientación. Hacer rebotar el rayo con precisión fuera de estos planos puede hacer que los neutrones diverjan en sus trayectorias a través de la red, generando patrones de interferencia débiles llamados oscilaciones pendellösung que revelan las propiedades estructurales del cristal.

«Imagina dos guitarras idénticas», huber dijo.

“Tírelos de la misma manera y, mientras vibran las cuerdas, lleve a uno por un camino con espinas, es decir, a lo largo de los planos de los átomos en la red, y lleve al otro por un camino de la misma longitud sin los reductores. velocidad – análoga a moverse entre planos de la red.

«La comparación de los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre los lomos: ¿qué tan grandes son, qué tan suaves y qué tan interesantes son?»

Esta técnica produjo una nueva medición del radio de carga de neutrones. Aunque los neutrones tienen carga neutra, las tres partículas de quark dentro de ellos no lo están. El quark up tiene una carga de +2/3 y cada uno de los dos quarks down tiene una carga de -1/3, lo que significa que generalmente se cancelan entre sí.

Pero dentro del neutrón, la carga no se distribuye uniformemente. La carga positiva se concentra en el centro y la carga negativa en los bordes; la distancia entre los dos se llama radio de carga.

La interferometría de Pendellösung no está sujeta a los factores que han llevado a discrepancias entre las mediciones anteriores que utilizan diferentes técnicas, lo que significa, dijo el equipo, que su resultado podría ser la clave para disminuir el tamaño de ese haz.

La técnica también puede proporcionar restricciones adicionales sobre la fuerza teórica de corto alcance aún no descubierta. En la naturaleza, según la Modelo estandar de la física, hay tres fuerzas, fuerte, débil y electromagnética. La gravedad, no incluida en el modelo estándar, se considera la cuarta fuerza.

Parafraseando a Hamlet, sin embargo, es casi seguro que hay más en el cielo y la tierra de lo que hemos descrito, y algunos físicos han propuesto que existe una quinta fuerza desconocida que podría explicar las observaciones anómalas. Si existe, puede tener un portador de fuerza, al igual que los fotones son el portador de fuerza del electromagnetismo.

La escala de longitud sobre la que puede actuar un portador de fuerza es inversamente proporcional a su masa. El fotón, que no tiene masa, tiene un rango ilimitado. La interferometría de Pendellösung puede proporcionar restricciones en el alcance del portador de la quinta fuerza, lo que a su vez puede poner límites a su fuerza.

Los resultados del equipo han limitado el alcance del portaaviones de quinta fuerza a diez veces, lo que significa que las búsquedas futuras de la quinta fuerza tendrán un alcance más corto para observar.

«Lo mejor de este trabajo no es solo la precisión, podemos mejorar los observables específicos en el cristal, sino también que podemos hacerlo con un experimento de sobremesa, no con un gran colisionador». Young dijo.

«Hacer estas mediciones precisas a pequeña escala puede hacer avanzar algunas de las preguntas más desafiantes para la física fundamental».

La investigación fue publicada en Ciencias.