自然界存在“第五种力”？
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，原文标题：《从电荷半径，到第五种力》，题图来自：unsplash
一
粒子物理学标准模型，是一个被广泛接受的关于粒子和力在最小尺度上如何相互作用的理论，也是公认的有史以来最成功的科学理论之一。然而，它并不完备。一直以来，物理学家都在试图通过各种实验，以发现标准模型之外的新粒子和基本力。
标准模型描述了除引力外的其他三种基本力：强力、弱力、电磁力。这三种力都是通过“载力粒子”来传递的，比如电磁力是由光子传递的。然而，除了已知的四种基本力，一些实验和理论还表明，自然界中可能存在第五种力，即所谓的汤川力。
为了给这第五种力的强度设限，许多科物理学家已经在各种长度尺度上展开了实验测试。在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个国际研究团队通过使用一种名为Pendellösung干涉测量法的方法，对硅中子的结构因子进行了精密测量，揭示了硅晶体的一些未知特性，还发现了一些新的与中子有关的重要信息，并触及到了与可能存在的第五种基本力有关的新认知。
二
为了在原子尺度上获得与晶体材料有关的信息，科学家通常会将一束粒子（如X射线、电子束、中子束等）瞄准晶体，然后在粒子穿过晶体的原子晶格时，对粒子束的角度、强度和图样进行探测。这些信息对于描述微芯片器件的电子、机械和磁性特性，以及了解各种新型纳米材料的新型应用至关重要。
在新研究中，物理学家就通过记录将中子射向硅晶体的过程，获得了不同寻常的结果。对于现代科技来说，硅是一种举足轻重的材料。更好地了解硅晶体的结构，将有助于更好地了解这些器件在不同条件下运作的状况。
硅有着规则的晶体结构，它有许多平行的原子“片”，每一片原子都能构成一个面。用中子探测不同的面就能揭示晶体的不同方面。| 图片来源：NIST
中子，就像所有的量子物体一样，既有点状粒子的性质，也有波的性质。当中子穿过硅晶体时，会形成两种驻波，一种与格面对齐，一种介于格面之间。当这两种路径的波结合在一起形成干涉时，它们会产生一种微弱的图样——pendellösung振荡，这种图样可以为了解中子在晶体内所受的力提供线索。
当中子穿过晶体时会产生两种不同的驻波——一种沿着原子面，另一种在原子面之间。这些波的相互作用会影响中子的路径，从而可以揭示晶体结构的各个方面。| 图片来源：NIST
我们知道，中子是电中性的，它由三个夸克组成，两个下夸克（d）和一个上夸克（u）。下夸克和上夸克具有不同的电特性，下夸克携带-1/3个单位电荷，上夸克携带+2/3个单位电荷。它们通常不会完全均匀地分布，带负电荷的下夸克倾向于位于中子的外部，而带正电荷的夸克则位于中子中心。二者之间的距离，被称为电荷半径。
原子核中的每个中子都是由三个夸克子组成的，三个夸克的电荷之和为零，使其呈电中性；电荷分布为，带正电荷的夸克更有可能出现在中子中心，而带负电荷的夸克则在中子外部。| 图片来源：NIST
电荷半径是基础物理学中非常重要的一个长度，不同的实验研究已经对此展开过一些测量，但结果都大相径庭。以X射线散射测量法为例，这是一种有效的测量方法，但它的准确性受到由热引起的原子运动的限制。热振动会使格面之间的距离不断变化，从而改变被测量的干涉图样。
而新研究中所使用的Pendellösung干涉测量法并不会受到这类因素的影响。利用这种方法，研究人员精确地测量了中子的“电荷半径”，成功地将对硅晶体的结构因子（描述了入射辐射如何从硅和锗等材料中散射，并表征了材料和散射粒子间的相互作用）的精密测量提高了4倍。
通过中子pendellösung振动，研究人员检验了X射线散射模型的预测值，发现那些预测值明显低估了振动的幅度。研究人员表示，新的测量方法之所以如此灵敏，一个原因就在于中子穿透到晶体的深度比X射线要深得多（1cm以上），因此可以测量的原子核数量也大得多。
测得的中子的结构因子也改善了对汤川力的强度约束。一般来说，如果一个载力粒子的作用长度与其质量成反比，那么就意味着它只能在有限的范围内影响其他粒子。因此如果能够确定一个载力粒子可能发挥作用的范围，那么就能确认它的力的强度范围。
新的结果将可能存在的第五种力的作用长度限制在0.02纳米到10纳米的范围内，将这种的力的强度限制提高了10倍，为第五种力的搜寻者提供了一个更精确的查找范围。
三
接下来，研究人员将计划使用硅和锗进行更宽泛的pendellösung测量。他们预计还能将测量结果的不确定性缩小到现有的1/5，这将会产生迄今为止最精确的中子电荷半径测量，并能够进一步限制——或者发现第五种力。
此外，他们还计划进行一个低温版本的实验，这将有助于了解晶体原子在所谓的“量子基态”中的行为，从而了解到即使在接近绝对零度的温度下，量子物体也永远不会完全静止的事实。
参考来源：
https://www.nist.gov/news-events/news/2021/09/groundbreaking-technique-yields-important-new-details-silicon-subatomic
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abc2794
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨