Feixes de nêutrons podem ajudar a revelar a elusiva ‘quinta força’ da natureza

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Créditos: Amith Nag / Moment / Getty Images.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Disparar feixes de nêutrons em amostras de silício pode nos levar a uma “quinta força” indescritível e desconhecida da natureza, de acordo com pesquisadores.

Usando uma técnica chamada interferometria pendellösung, uma equipe de físicos liderada por Benjamin Heacock, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, usou feixes de nêutrons para sondar a estrutura cristalina do silício com a maior precisão já alcançada, obtendo resultados mais detalhados do que as técnicas de raios-X.

“Encontramos evidências de que os núcleos e os elétrons podem não vibrar rigidamente, como comumente se supõe. Isso muda nossa compreensão sobre como os átomos de silício interagem uns com os outros dentro de uma estrutura de cristal”.

Para fazer isso, o feixe de partículas é direcionado a um material. Uma vez que o feixe penetra no material, os nêutrons ricocheteiam e se espalham pela rede estrutural atômica.

Em um cristal de silício perfeito, as camadas de átomos na rede são organizadas em planos que se repetem em espaçamento e orientação. Saltar o feixe precisamente para fora desses planos pode fazer com que os nêutrons divergam em suas rotas através da rede, gerando padrões de interferência tênues chamados oscilações pendellösung que revelam as propriedades estruturais do cristal.

“Imagine duas guitarras idênticas”, disse Huber.

“Puxe-as da mesma maneira e, à medida que as cordas vibram, tente conduzir através de uma estrada com lombadas – isto é, ao longo dos planos dos átomos na rede – e conduza a outra por uma estrada do mesmo comprimento sem lombadas – análogo a mover-se entre os planos da rede”.

“Comparar os sons de ambas as guitarras nos diz algo sobre as lombadas: quão grandes são, quão suaves e têm formas interessantes?”

Esta técnica rendeu uma nova medição do raio de carga em nêutrons. Embora os nêutrons tenham carga neutra, as três partículas de quark dentro deles não tem. O quark up tem uma carga de +2/3 e cada um dos dois quarks down tem uma carga de -1/3, o que significa que, no geral, eles se cancelam.

Mas dentro do nêutron, a carga não é distribuída uniformemente. A carga positiva se concentra no centro e a negativa nas bordas; a distância entre os dois é chamada de raio de carga.

A interferometria Pendellösung não está sujeita aos fatores que levaram a discrepâncias entre as medições anteriores usando técnicas diferentes, o que significa, disse a equipe, que seu resultado pode ser a chave para diminuir o tamanho desse raio.

A técnica também é capaz de fornecer mais restrições à força teórica de curto alcance, ainda não descoberta. Na natureza, de acordo com o modelo padrão da física, existem três forças: forte, fraca e eletromagnética. A gravidade, não incluída no modelo padrão, é considerada a quarta força.

Parafraseando Hamlet, no entanto, quase certamente há mais coisas no céu e na Terra do que descrevemos, e alguns físicos propuseram que existe uma quinta força desconhecida que poderia explicar observações anômalas. Se existir, pode ter uma partícula mensageira, da mesma forma que os fótons são uma partícula mensageira do eletromagnetismo.

A escala de comprimento sobre a qual uma partícula mensageira pode atuar é inversamente proporcional à sua massa. O fóton, que não tem massa, tem um alcance ilimitado. A interferometria Pendellösung pode fornecer restrições ao alcance da quinta partícula mensageira, que por sua vez pode colocar limites em sua força.

Os resultados da equipe limitaram o alcance da partícula mensageira da quinta força em dez vezes, o que significa que futuras buscas pela quinta força terão um alcance menor para olhar.

“O que é grandioso sobre este trabalho não é apenas a precisão – podemos aprimorar em observações ​​específicas no cristal – mas também que podemos fazer isso com um experimento de mesa, não um grande colisor”, disse Young.

“Fazer essas medições precisas em pequena escala pode fazer progressos em algumas das questões mais desafiadoras para a física fundamental”.

A pesquisa foi publicada na Science.