Une équipe de recherche dirigée par le National Institute of Standards and Technology (NIST) a percé les mystères de la cinquième force de la nature
Il est sur le point de finir écrasé, sa mère le sauveIl existe une cinquième force dans la nature, longtemps théorisée mais jamais « vue ». Aujourd'hui, une équipe de recherche dirigée par le National Institute of Standards and Technology (NIST) a percé certains de ses mystères et a en même temps réussi à mesurer une propriété clé des neutrons pour la première fois dans l'histoire.
Les travaux ont été menés en ciblant les neutrons, particules subatomiques situées dans les noyaux atomiques et dépourvues de charge, en particulier celles de cristaux de silicium, et en surveillant le résultat avec une sensibilité jamais atteinte auparavant, dans le but de vérifier si la cinquième force de la nature, théorisée depuis un certain temps mais jamais mesurée de quelque manière que ce soit, existait réellement.
Pour obtenir des informations sur les matériaux cristallins à l'échelle atomique, les scientifiques pointent généralement un faisceau de particules (tels que des rayons X, des électrons ou des neutrons) vers le cristal et détectent les propriétés du matériau lorsque ce faisceau traverse ou rebondit sur le réseau. plans, l'architecture de base du cristal.
Ces informations sont d'une importance cruciale pour caractériser les propriétés électroniques, mécaniques et magnétiques des composants des micropuces et de divers nouveaux nanomatériaux pour les applications de prochaine génération, y comprisinformatique quantique. Ce qui, même si cela ressemble à de la science-fiction, est déjà une réalité.
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Une compréhension considérablement améliorée de la structure cristalline du silicium, le substrat "universel", le matériau de base sur lequel tout est construit, sera cruciale pour comprendre la nature des composants fonctionnant près du point où la précision des mesures est limitée par les effets. quantum
explique Michael Huber, scientifique senior sur le projet.
Que se passe-t-il au niveau quantique
©NIST
Au niveau subatomique, en effet, les lois de la physique classique ne s'appliquent plus et il y a une vraie limite imposée par la nature qui nous empêche de continuer. Pour ne citer qu'un exemple, l'une des lois fondamentales de cette branche fascinante de la physique est en fait le principe d'incertitude de Heisemberg qui établit, "par la loi", l'impossibilité de déterminer simultanément la vitesse et la masse d'un électron.
Ce que l'homme peut faire, c'est se rapprocher de plus en plus de ces limites. Et c'est ce que les chercheurs du NIST ont réussi à faire, améliorer la précision par quatre fois des mesures sur la structure du cristal de silicium.
Comme tous les objets quantiques, les neutrons ont des propriétés à la fois de particules ponctuelles et d'ondes. Ainsi, lorsqu'un neutron, qui est une particule de masse, bien que très petite, traverse le cristal, il génère des ondes (comme une corde de guitare pincée), et, lorsque les ondes provenant de chacune des deux voies se combinent (techniquement "elles interfèrent »), créent des oscillations particulières appelées pendellösung qu'elles fournissent informations sur les forces que les neutrons subissent à l'intérieur du cristal.
Imaginez deux guitares identiques - explique Huber - prenez-les de la même manière, et pendant que les cordes vibrent, guidez l'une le long d'une route avec des bosses - c'est-à-dire le long des plans des atomes dans le treillis - et guidez l'autre le long d'une route du même longueur sans bosses - analogue au déplacement entre les plans du treillis. La comparaison des sons des deux guitares nous apprend quelque chose sur les bosses : leur taille, leur douceur et si elles ont des formes intéressantes.
Les résultats
Les scientifiques ont ainsi réussi à obtenir trois résultats extraordinaires: la première mesure d'une propriété clé des neutrons, les mesures de la plus haute précision des effets des vibrations liées à la chaleur dans un cristal de silice, et les "limites" d'une éventuelle cinquième force de la nature.
©NIST
- Les neutrons ne sont pas exactement neutres
Cela semble une contradiction dans les termes, mais c'est vrai. Les scientifiques ont en effet mesuré le « rayon de charge électrique » avec une bien plus grande précision que par le passé, démontrant que ces particules, bien qu'électriquement neutres dans l'ensemble, ont une répartition interne de charge qui les rend inhomogènes en ce sens.
En effet, les neutrons sont des objets composites constitués de trois particules élémentaires chargées appelées quark avec des propriétés électriques différentes qui ne sont pas exactement uniformément réparties.
- Attention aux vibrations
Une alternative valable aux neutrons pour les mesures des propriétés cristallines est la diffusion des rayons X. Mais sa précision a été limitée par le mouvement atomique causé par la chaleur. Les vibrations thermiques, en particulier, modifient en permanence les distances entre les plans cristallins et donc les modèles d'interférence mesurés.
Mais maintenant, nous en savons plus : les scientifiques ont en fait mesuré eux-mêmes les oscillations pendellösung des neutrons pour tester les valeurs prédites des modèles de diffusion des rayons X et ont constaté que certains sous-estimaient considérablement l'amplitude de la vibration. Ce résultat fournit informations complémentaires précieuses pour la diffusion des rayons X et des neutrons.
- La cinquième force de la nature
La communauté scientifique soupçonne depuis longtemps que les théories actuelles sur les forces et en général sur les mécanismes de la nature sont incomplètes, en supposant qu'il y a beaucoup plus d'univers que ce qui est actuellement décrit dans le soi-disant modèle standard.
Ce cadre théorique décrit trois forces fondamentales dans la nature : électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible, chacune d'entre elles agissant par l'action de « particules porteuses », dont l'échange génère la force de référence.
Sur ce, nous savons que le photon est le vecteur de la force électromagnétique, mais personne n'a jamais trouvé la particule qui "porte" la force de gravité dans sa description de la nature (ce que quelqu'un a essayé d'appeler "graviton", mais n'a jamais trouvé ça). De plus, certaines expériences et théories suggèrent présence possible d'une cinquième force.
Les chercheurs dirigés par le NIST sont maintenant parvenus à déterminer les "limites" d'action de cette cinquième force, rétrécissant le champ de recherche (comme s'ils avaient trouvé la "clôture" où quelqu'un se cache).
Généralement, s'il existe un vecteur de force, l'échelle de longueur sur laquelle il agit est inversement proportionnelle à sa masse - explique Benjamin Heacock, premier auteur de l'ouvrage - ce qui signifie qu'il ne peut affecter d'autres particules que dans une plage limitée. Mais le photon, qui n'a pas de masse, peut agir sur un rayon illimité. Donc, si nous pouvons limiter la plage dans laquelle il pourrait agir, nous pouvons limiter sa force
Les résultats des scientifiques ils ont décuplé les limites de la cinquième force potentielle sur une échelle de longueur de 0,02 à 10 nanomètres (milliardièmes de mètre), donnant aux chasseurs de cinquième force une plage étroite dans laquelle regarder.
Des chasseurs auxquels ils s'appliquent eux-mêmes, prévoyant des mesures sur les oscillations pendellösung des neutrons à la fois dans le silicium et le germanium, et visant un facteur de réduction possible de cinq dans leurs incertitudes, ce qui pourrait donner la mesure la plus précise du rayon de la charge des neutrons à dater et limiter davantage (ou peut-être vraiment découvrir) une cinquième force.
Ils prévoient également d'exécuter une version cryogénique de l'expérience, qui fournirait des informations sur la façon dont les atomes de cristal se comportent dans leur soi-disant «état fondamental quantique», ce qui explique le fait que les objets quantiques ne sont jamais parfaitement immobiles, même à des températures de cette approche. zéro absolu (température à laquelle, théoriquement, la matière disparaît, évidemment jamais atteinte expérimentalement).
Les travaux du NIST sont en effet bien plus qu'une curiosité scientifique. En effet, le silicium est d'une importance fondamentale pour de nombreuses applications industrielles et technologiques, présentes, pour ne citer qu'un exemple, dans les circuits électroniques. L'étude ouvre donc de nombreuses portes sur les communications quantiques et sur des matériaux innovants pour tout usage.
La recherche a été publiée dans Science.
Sources de référence : NIST / La science
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