Un equipo de investigación dirigido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha desentrañado los misterios de la quinta fuerza de la naturaleza
Está a punto de acabar atropellado, su madre lo salvaHay una quinta fuerza en la naturaleza, largamente teorizada pero nunca "vista". Hoy, un equipo de investigación dirigido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha desentrañado algunos de sus misterios y al mismo tiempo logró medir una propiedad clave de los neutrones por primera vez en la historia.
El trabajo se realizó apuntando a los neutrones, partículas subatómicas ubicadas en los núcleos atómicos y desprovistas de carga, en particular las de cristales de silicio, y monitoreando el resultado con una sensibilidad nunca antes alcanzada, con el objetivo de verificar si la quinta fuerza de la naturaleza, teorizada durante algún tiempo pero nunca medida de ninguna manera, existió realmente.
Para obtener información sobre los materiales cristalinos a escala atómica, los científicos generalmente apuntan un haz de partículas (como rayos X, electrones o neutrones) al cristal y detectan las propiedades del material a medida que el haz atraviesa o rebota en la red. planos, la arquitectura de base del cristal.
Esta información es de vital importancia para caracterizar las propiedades electrónicas, mecánicas y magnéticas de los componentes de los microchips y varios nanomateriales nuevos para aplicaciones de próxima generación, que incluyenciencias de la computación cuántica. Lo cual, aunque suene a ciencia ficción, ya es una realidad.
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Una comprensión mucho mejor de la estructura cristalina del silicio, el sustrato 'universal', el material básico sobre el que se construye todo, será crucial para comprender la naturaleza de los componentes que operan cerca del punto donde la precisión de las mediciones está limitada por los efectos. cuántico
explica Michael Huber, científico principal del proyecto.
¿Qué sucede a nivel cuántico?
©NIST
A nivel subatómico, de hecho, las leyes de la física clásica ya no se aplican y existe un límite real impuesto por la naturaleza que nos impide continuar. Sólo por citar un ejemplo, una de las leyes fundamentales de esta fascinante rama de la física es precisamente el Principio de Incertidumbre de Heisemberg que establece, "por ley", cómo es imposible determinar simultáneamente la velocidad y la masa de un electrón.
Lo que el hombre puede hacer es acercarse cada vez más a estos límites. Y eso es lo que lograron hacer los investigadores del NIST, mejorando la precisión en cuatro veces de las medidas sobre la estructura del cristal de silicio.
Como todos los objetos cuánticos, los neutrones tienen propiedades tanto de partículas puntuales como de ondas. Entonces, cuando un neutrón, que es una partícula con una masa, aunque muy pequeña, viaja a través del cristal, genera ondas (como una cuerda de guitarra) y, cuando las ondas provenientes de cada una de las dos rutas se combinan (técnicamente "ellos interfieren”), crean oscilaciones particulares llamadas pendellösung que proporcionan informacion sobre fuerzas que experimentan los neutrones dentro del cristal.
Imagina dos guitarras idénticas -explica Huber-, tómalas por el mismo camino, y mientras las cuerdas vibran, guía una por un camino con baches -es decir, por los planos de los átomos en la red- y guía a la otra por un camino del misma longitud sin protuberancias.- análogo al desplazamiento entre los planos de la red. Comparar los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre los golpes: qué tan grandes son, qué tan suaves son y si tienen formas interesantes.
Los resultados
Los científicos de esta manera lograron lograr tres resultados extraordinarios: la primera medición de una propiedad clave de los neutrones, las mediciones de mayor precisión de los efectos de las vibraciones relacionadas con el calor en un cristal de sílice y los "límites" de una posible quinta fuerza de la naturaleza.
©NIST
- Los neutrones no son exactamente neutros.
Parece una contradicción en los términos, pero es cierto. De hecho, los científicos han medido el 'radio de la carga eléctrica' con una precisión mucho mayor que en el pasado, demostrando que estas partículas, aunque son eléctricamente neutras en su conjunto, tienen una distribución interna de carga que las hace no homogéneas en este sentido.
Esto se debe a que los neutrones son objetos compuestos formados por tres partículas elementales cargadas llamadas quark con diferentes propiedades eléctricas que no están exactamente distribuidas uniformemente.
- Cuidado con las vibraciones
Una alternativa válida a los neutrones para medir las propiedades de los cristales es la dispersión de rayos X. Pero su precisión se ha visto limitada por el movimiento atómico causado por el calor. La vibración térmica, en particular, cambia continuamente las distancias entre los planos del cristal y, por lo tanto, los patrones de interferencia medidos.
Pero ahora sabemos más: de hecho, los científicos midieron las oscilaciones de neutrones pendellösung para probar los valores predichos de los patrones de dispersión de rayos X y descubrieron que algunos subestiman significativamente la magnitud de la vibración. Este resultado proporciona valiosa informacion complementaria tanto para rayos X como para dispersión de neutrones.
- La quinta fuerza de la naturaleza.
La comunidad científica ha sospechado durante mucho tiempo que las teorías actuales sobre las fuerzas y en general sobre los mecanismos de la naturaleza son incompletas, asumiendo que hay mucho más del universo de lo que actualmente se describe en el llamado Modelo Estándar.
Este marco teórico describe tres fuerzas fundamentales en la naturaleza: electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, cada una de las cuales opera a través de la acción de "partículas portadoras", cuyo intercambio genera la fuerza de referencia.
Sobre esto sabemos que el fotón es el vector de la fuerza electromagnética, pero nadie ha encontrado nunca la partícula que "lleva" la fuerza de la gravedad en su descripción de la naturaleza (lo que alguien ha tratado de llamar "gravitón", pero nunca ha encontrado eso). Además, algunos experimentos y teorías sugieren la posible presencia de una quinta fuerza.
Los investigadores dirigidos por el NIST ahora han logrado determinar los "límites" de acción de esta quinta fuerza, estrechando el campo de búsqueda (como si hubieran encontrado la "valla" donde alguien se esconde).
Generalmente, si existe un vector fuerza, la escala de longitud sobre la que actúa es inversamente proporcional a su masa -explica Benjamin Heacock, primer autor del trabajo-, lo que significa que solo puede afectar a otras partículas en un rango limitado. Pero el fotón, que no tiene masa, puede actuar en un radio ilimitado. Entonces, si podemos limitar el rango dentro del cual podría actuar, podemos limitar su fuerza
Los resultados de los científicos. han mejorado diez veces los límites de la quinta fuerza potencial en una escala de longitud de 0,02 a 10 nanómetros (mil millonésimas de metro), dando a los cazadores de quinta fuerza un rango estrecho en el que mirar.
Hunters entre los que ellos mismos aplican, planificando medidas sobre las oscilaciones pendellösung de neutrones tanto en silicio como en germanio, y apuntando a un posible factor de reducción de cinco en sus incertidumbres, lo que podría dar como resultado la medida más precisa del radio de la carga de neutrones para fechar y limitar aún más (o tal vez realmente descubrir) una quinta fuerza.
También planean ejecutar una versión criogénica del experimento, que proporcionaría información sobre cómo se comportan los átomos de cristal en su llamado "estado fundamental cuántico", lo que explica el hecho de que los objetos cuánticos nunca están perfectamente quietos, incluso a temperaturas. cero absoluto (temperatura a la que, teóricamente, desaparece la materia, obviamente nunca alcanzada experimentalmente).
El trabajo del NIST es mucho más que una curiosidad científica. De hecho, el silicio tiene una importancia fundamental para muchas aplicaciones industriales y tecnológicas, presente, por citar un ejemplo, en circuitos electrónicos. El estudio, por tanto, abre muchas puertas a las comunicaciones cuánticas ya materiales innovadores para cualquier uso.
La investigación fue publicada en Science.
Fuentes de referencia: NIST / Ciencias
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