تجربة القوة الخامسة: قاعة موجّه النيوترونات الباردة في مركز NIST لأبحاث النيوترونات في ماريلاند.
يُعد البحث المتقدم حول قوة خامسة محتملة في الطبيعة أحد النتائج الثلاثية الجديدة المستقاة من ملاحظات التفاعلات النيوترونية في السيليكون التي قام بها فريق دولي من الفيزيائيين. العمل ، الذي يعتمد على قياس التداخل Pendellösung ، يأخذ أيضًا نظرة دقيقة على الخصائص الحرارية للسيليكون ويوفر قيمة جديدة ومستقلة لنصف قطر النيوترون.
إن تشتت الجسيمات مثل الأشعة السينية أو الإلكترونات أو النيوترونات من عينات المواد البلورية قد زود العلماء على مدى عقود بمعلومات قيمة عن التركيب الذري. تخبرنا ميكانيكا الكم أن هذه الجسيمات تتصرف أيضًا مثل الموجات ، والتداخل بين الموجات التي تنحرف عن نقاط مختلفة في الشبكة البلورية هو الذي يكشف عن خصائص مثل التباعد بين الذرات.
ومع ذلك ، فإن تشتت الجسيمات المباشر له عيوبه. على سبيل المثال ، تعمل الحركة الحرارية للذرات داخل عينات الكريستال باستمرار على تغيير المسافات الشبكية وبالتالي أنماط التداخل التي يتم إنشاؤها. يمكن أن يصبح فقدان الدقة الناتج مشكلة عند دراسة السيليكون ومواد أشباه الموصلات الأخرى على المستوى المطلوب لفهم سلوك الأجهزة الجديدة التي تعمل بالقرب من الحدود التي تفرضها ميكانيكا الكم.
الموجات الموقوفة
في العمل الأخير ، قام بنجامين هيكوك من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في غايثرسبيرغ بولاية ماريلاند وزملاؤه في الولايات المتحدة واليابان وكندا بتمييز هذه الحركة الحرارية بشكل أفضل باستخدام قياس التداخل Pendellösung. تستغل هذه التقنية الموجات الدائمة التي تنشأ عندما تدخل النيوترونات إلى عينة وتتفاعل مع كل من الذرات الفردية في الأمام وطبقات الذرات الموجودة أعلى وأسفل. ينتج عن التداخل بين مجموعتي الموجات الواقفة تذبذبات ذات شدة انحراف تعكس خصائصها القوى التي تتعرض لها النيوترونات أثناء انتقالها عبر البلورة.
تم عرض قياس التداخل Pendellösung لأول مرة في الأربعينيات من القرن الماضي ومنذ ذلك الحين تم تنفيذه باستخدام الأشعة السينية لقياس كثافة الإلكترونات في السيليكون. ومع ذلك ، كانت دقة هذه التقنية عند استخدام النيوترونات محدودة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن مصادر النيوترونات لها تدفقات أقل من تلك الموجودة في الأشعة السينية وجزئيًا لأن تقنيات المعالجة الآلية اللازمة لجعل العينات مسطحة تؤدي أيضًا إلى حدوث إجهاد.
وجد Heacock وزملاؤه أنه يمكنهم تقليل الإجهاد من خلال استخدام تقنيات التصنيع الحديثة الرائدة في مركز RIKEN للضوئيات المتقدمة في اليابان. وقد تمكنوا أيضًا من تخفيف متطلبات التسطيح من خلال توصيف العينات باستخدام ما يُعرف بمقياس التداخل النيوتروني البلوري المثالي - ووضع مخططهم موضع التنفيذ باستخدام نيوترونات باردة من خط شعاع في مركز أبحاث النيوترونات التابع للمعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا في غايثرسبيرغ.
الاهتزازات المستقلة
استخدم الباحثون بياناتهم جزئيًا لفهم أفضل لكيفية تأثير الديناميات الحرارية في السيليكون على قياسات حيود الأشعة السينية. كما أوضحوا ، توفر النيوترونات معلومات مكملة لبيانات الأشعة السينية. هذا لأنه على عكس الأشعة السينية ، التي تتفاعل مع الإلكترونات الذرية ، تتفاعل النيوترونات مع نوى الذرة - ولأن النيوترونات تخترق البلورات بعمق أكبر. وجد الفريق أن بعض النماذج المعتمدة على بيانات الأشعة السينية تقلل من حجم الاهتزازات الحرارية. اكتشفوا أيضًا أن النوى والإلكترونات المرتبطة بها قد لا تهتز كأنها واحدة - كما كان يُفترض سابقًا.
بالإضافة إلى هذه البيانات الخاصة بالسيليكون ، اكتسب الباحثون أيضًا رؤى جديدة حول معلمتين عالميتين (حقيقيين أو مفترضين). أحد هذه الشحنة هو نصف قطر الشحنة الكهربائية للنيوترون. على الرغم من أن النيوترون عبارة عن جسيم محايد بشكل عام ، إلا أن تركيبه الكواركي يسبب اختلالًا طفيفًا في توزيع الشحنة - مما يؤدي إلى تركيز أعلى جزئيًا من الشحنة الموجبة بالقرب من مركزه وشحنة سالبة أكثر على حافته. نصف قطر الشحنة هو المسافة بين هاتين النقطتين.
كما أوضح الباحثون ، فإن الجزء الداخلي من بلورة السيليكون يوفر بيئة مثالية لقياس هذا الشعاع بالنظر إلى الحقول الكهربائية الضخمة الناتجة عن مجموعة الشحنات على مقربة من النيوترون. أسفرت قياساتهم النيوترونية عن متوسط نصف قطر شحنة مربعة يبلغ -0.1101 ± 0089 fm2 ، وهو أقل دقة بقليل من القيم الرئيسية من التجارب الراسخة التي تقيس انتقال النيوترونات من خلال أهداف الرصاص أو البزموت. لكنهم يقولون إن عملهم يتضمن شكوكًا منهجية مختلفة تمامًا ، وبالتالي يوفر قياسًا مستقلاً - وهو أمر ذو قيمة خاصة ، كما يقولون ، نظرًا لتباين طفيف بين النتائج الحالية.
القوة الخامسة للطبيعة
ومع ذلك ، ربما تكون الحدود الجديدة التي تضعها التجربة على القوة الخامسة المحتملة للطبيعة أكثر ما يلفت الأنظار. تمثل هذه القوة قطيعة مع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، والذي يتضمن القوى النووية الكهرومغناطيسية والقوية والضعيفة ، ولكن يعتبره الفيزيائيون على نطاق واسع غير مكتمل بسبب المشكلات الرئيسية البارزة - مثل عدم توافق ميكانيكا الكم والنسبية العامة وكذلك وجود المادة المظلمة والطاقة المظلمة.
لم يتم ملاحظة مثل هذه القوة حتى الآن ولكن من المحتمل أن تتخذ أشكالًا عديدة. الشكل العام الذي تم فحصه بواسطة Heacock وزملاؤه هو تعديل لتفاعلات الجاذبية المعروفة باسم إمكانات Yukawa. باستخدام بيانات النيوترونات الخاصة بهم ، تمكن الباحثون من تقليل نطاق قوى التفاعل المحتملة على مسافة تتراوح بين 10-8-10-11 م بحوالي ترتيب من حيث الحجم مقارنة بالبحوث التجريبية السابقة.
الخبراء المستقلون متحمسون لأحدث النتائج ، حيث وصف تاماكي يوشيوكا من جامعة كيوشو في اليابان مقياس التداخل الجديد Pendellösung بأنه أداة بحث "قوية جدًا". في غضون ذلك ، يعتقد مايكل سنو من جامعة إنديانا بلومنجتون في الولايات المتحدة أنه "لا يزال هناك متسع كبير" لجعل التقنية أكثر حساسية للقوى الخامسة المحتملة ولتطوير أنواع جديدة من القياسات باستخدام نيوترونات بطيئة.
تتمثل الخطوة التالية للباحثين في قياس تداخل Pendellösung على نطاق أوسع من مستويات التناظر داخل البلورات ، بهدف تقليل حالات عدم اليقين التجريبية بما يصل إلى خمسة أضعاف - في كل من السيليكون والجرمانيوم. لديهم أيضًا خطط لنسخة مبردة من تجربتهم لسبر الحالة الكمومية للذرات. ويقولون إن هذا قد يكون مثمرًا بشكل خاص للسيليكون ، بالنظر إلى كيف تحدد حالته الأرضية الكمية الخصائص الكهربائية للمادة والتوسع الحراري الشاذ في درجات الحرارة المنخفضة.
المصدر