Resultado revolucionário: pesquisadores desvendam os mistérios da quinta força da natureza há muito teorizada

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desvendou os mistérios da quinta força da natureza

Ele está prestes a acabar atropelado, sua mãe o salva

Há uma quinta força na natureza, há muito teorizada, mas nunca "vista". Hoje, uma equipe de pesquisa liderada pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desvendou alguns de seus mistérios e, ao mesmo tempo, conseguiu medir uma propriedade chave dos nêutrons pela primeira vez na história.





O trabalho foi realizado visando nêutrons, partículas subatômicas localizadas em núcleos atômicos e desprovidas de carga, em particular as de cristais de silício, e monitorando o resultado com uma sensibilidade nunca alcançada antes, com o objetivo de verificar se a quinta força da natureza, teorizada há algum tempo, mas nunca medida de forma alguma, realmente existiu.

Para obter informações sobre materiais cristalinos em escala atômica, os cientistas geralmente apontam um feixe de partículas (como raios X, elétrons ou nêutrons) para o cristal e detectam as propriedades do material à medida que esse feixe passa ou ricocheteia na rede. planos, a arquitetura de base do cristal.

Essas informações são extremamente importantes para caracterizar as propriedades eletrônicas, mecânicas e magnéticas de componentes de microchips e vários novos nanomateriais para aplicações de próxima geração, incluindociência da computação quântica. O que, mesmo que pareça ficção científica, já é uma realidade.

Veja também: Cientistas conseguem "teletransporte quântico" de longa distância pela primeira vez

Uma compreensão muito melhor da estrutura cristalina do silício, o substrato 'universal', o material básico sobre o qual tudo é construído, será crucial para entender a natureza dos componentes que operam perto do ponto em que a precisão das medições é limitada pelos efeitos. quântico

explica Michael Huber, cientista sênior do projeto.

O que acontece no nível quântico

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©NIST

No nível subatômico, de fato, as leis da física clássica não se aplicam mais e há um limite real imposto pela natureza que nos impede de continuar. Só para citar um exemplo, uma das leis fundamentais deste fascinante ramo da física é de fato o Princípio da Incerteza de Heisemberg que estabelece, "por lei", como é impossível determinar simultaneamente a velocidade e a massa de um elétron.



O que o homem pode fazer é aproximar-se cada vez mais desses limites. E foi isso que os pesquisadores do NIST conseguiram fazer, melhorando a precisão em quatro vezes das medidas sobre a estrutura do cristal de silício.

Como todos os objetos quânticos, os nêutrons têm propriedades tanto de partículas pontuais quanto de ondas. Assim, quando um nêutron, que é uma partícula de massa, embora muito pequena, atravessa o cristal, ele gera ondas (como uma corda de violão dedilhada) e, quando as ondas provenientes de cada uma das duas vias se combinam (tecnicamente "elas interfere ”), criam oscilações particulares chamadas pendellösung que eles fornecem informações sobre forças que os nêutrons experimentam dentro do cristal.

Imagine duas guitarras idênticas - explica Huber - pegue-as da mesma maneira e, enquanto as cordas vibram, guie uma por um caminho com solavancos - isto é, pelos planos dos átomos na treliça - e guie a outra por um caminho do mesmo comprimento sem saliências - análogo ao deslocamento entre os planos da rede. A comparação dos sons de ambas as guitarras nos diz algo sobre os solavancos: quão grandes são, quão suaves são e se têm formas interessantes

Os resultados

Os cientistas desta forma conseguiram três resultados extraordinários: a primeira medição de uma propriedade chave de nêutrons, as medições de alta precisão dos efeitos de vibrações relacionadas ao calor em um cristal de sílica e os "limites" de uma possível quinta força da natureza.

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  1. Os nêutrons não são exatamente neutros

Parece uma contradição em termos, mas é verdade. De fato, os cientistas mediram o 'raio da carga elétrica' com muito maior precisão do que no passado, demonstrando que essas partículas, embora eletricamente neutras em geral, têm uma distribuição interna de carga que as torna não homogêneas nesse sentido.



Isso ocorre porque os nêutrons são objetos compostos feitos de três partículas elementares carregadas chamadas quark com diferentes propriedades elétricas que não são exatamente uniformemente distribuídas.

  1. Cuidado com as vibrações

Uma alternativa válida aos nêutrons para medições de propriedades de cristais é o espalhamento de raios X. Mas sua precisão tem sido limitada pelo movimento atômico causado pelo calor. A vibração térmica, em particular, altera continuamente as distâncias entre os planos do cristal e, portanto, os padrões de interferência medidos.

Mas agora sabemos mais: os cientistas de fato mediram as próprias oscilações de nêutrons de pendellösung para testar os valores previstos dos padrões de espalhamento de raios-X e descobriram que alguns subestimam significativamente a magnitude da vibração. Este resultado fornece informações complementares valiosas para espalhamento de raios X e de nêutrons.

  1. A quinta força da natureza

A comunidade científica há muito suspeita que as teorias atuais sobre as forças e, em geral, sobre os mecanismos da natureza são incompletas, assumindo que há muito mais do universo do que é atualmente descrito no chamado Modelo Padrão.

Este referencial teórico descreve três forças fundamentais na natureza: eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca, cada uma das quais opera através da ação de "partículas portadoras", cuja troca gera a força de referência.

Sobre isso sabemos que o fóton é o vetor da força eletromagnética, mas ninguém jamais encontrou a partícula que "carrega" a força da gravidade em sua descrição da natureza (o que alguém tentou chamar de "gráviton", mas nunca encontrou isso). Além disso, alguns experimentos e teorias sugerem a possível presença de uma quinta força.

Pesquisadores liderados pelo NIST conseguiram agora determinar os "limites" de ação dessa quinta força, estreitando o campo de busca (como se tivessem encontrado a "cerca" onde alguém está se escondendo).

Geralmente, se existe um vetor de força, a escala de comprimento em que ele atua é inversamente proporcional à sua massa – explica Benjamin Heacock, primeiro autor da obra – o que significa que ele só pode afetar outras partículas em um intervalo limitado. Mas o fóton, que não tem massa, pode atuar em um raio ilimitado. Então, se podemos limitar o alcance dentro do qual ele pode agir, podemos limitar sua força

Os resultados dos cientistas eles melhoraram os limites da quinta força potencial dez vezes em uma escala de comprimento de 0,02 a 10 nanômetros (bilionésimos de um metro), dando aos caçadores de quinta força uma faixa estreita para olhar.

Caçadores entre os quais eles próprios se aplicam, planejando medições nas oscilações pendellösung de nêutrons em silício e germânio, e visando um possível fator de redução de cinco em suas incertezas, o que poderia fornecer a medição mais precisa do raio da carga de nêutrons para datar e limitar ainda mais (ou talvez realmente descobrir) uma quinta força.

Eles também planejam executar uma versão criogênica do experimento, que forneceria informações sobre como os átomos de cristal se comportam em seu chamado 'estado fundamental quântico', o que explica o fato de que objetos quânticos nunca estão perfeitamente parados, mesmo em temperaturas. zero absoluto (temperatura na qual, teoricamente, a matéria desaparece, obviamente nunca alcançada experimentalmente).

O trabalho do NIST é realmente muito mais do que uma curiosidade científica. De fato, o silício é de fundamental importância para muitas aplicações industriais e tecnológicas, presentes, apenas para citar um exemplo, em circuitos eletrônicos. O estudo, portanto, abre muitas portas nas comunicações quânticas e em materiais inovadores para qualquer uso.

A pesquisa foi publicada na revista Science.

Fontes de referência: NIST / Ciência

Veja também:

  • NASA encontrou outra maneira de fusão nuclear
  • O experimento quântico que demonstra como duas realidades podem existir ao mesmo tempo    
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