Das Standardmodell der Physik hat seit Anfang der 1970er Jahre gezeigt, dass es die Ergebnisse einer Vielzahl von Experimenten erklären kann. Aber auch, um viele Phänomene bemerkenswert vorherzusagen. Physiker haben es um zwölf Elementarteilchen herum gebaut, die von nur vier Kräften beherrscht werden.
Diese sogenannten Grundkräfte – Schwerkraft, elektromagnetische Kraft, starke Kraft und schwache Kraft – wirken jeweils auf ihrer eigenen Ebene. Und mindestens drei davon werden von Partikeln getragen. Die elektromagnetische Kraft zum Beispiel ist dafür verantwortlich, Atomkerne zusammenzuhalten. Es hängt mit dem Photon zusammen, einem Teilchen ohne Ladung und Masse. Da die Größenordnung, in der die Wechselwirkung eine Wirkung hervorruft, im Allgemeinen umgekehrt proportional zur Masse des „Trägerteilchens“ ist, wird die elektromagnetische Kraft als unendlich groß bezeichnet.
Bei dieser gut geölten Maschine scheinen jedoch einige Zahnräder darauf greifen zu wollen. Trotz jahrzehntelanger Versuche gelingt es den Physikern immer noch nicht, die vier Grundkräfte des Standardmodells zu vereinen. Deshalb stellten sie die Theorie auf, dass es eine unentdeckte Kraft auf kurze Distanz gibt. Die fünfte Kraft nennen sie die fünfte Kraft, die sich auf dunkle Energie oder zusätzliche räumliche Dimensionen beziehen kann. Und genau heute wurden die Arbeiten von einem Team von Nationales Institut für Standards und Technologie (NIST, USA) Physiker können endlich auf den richtigen Weg gebracht werden. Sie schlagen vor, dass diese hypothetische fünfte Potenz auf einer Skala zwischen 0,02 und 10 Nanometer (nm) oder zwischen 0,02 .10 . operiert-9 oder 10.10-9 Meter.
Perfekter Siliziumkristall und Neutronenstrahl
Wie kamen sie zu diesem Schluss? Durch die Implementierung einer erstaunlichen Technik: der sogenannten Pendellösung-Interferometrie. Um das zu verstehen, müssen wir uns zunächst daran erinnern, dass Physiker, um kristalline Materialien auf atomarer Ebene zu untersuchen, sie normalerweise mit subatomaren Teilchen beschießen. Ihr Ziel: dann die Winkel zu erkennen, unter denen der Strahl von den Ebenen des Kristallgitters abprallt oder die Muster, die sich beim Durchqueren bilden.
Diesmal ist es ein perfekter Siliziumkristall – ein Kristall mit identischen Atomschichten in jeder Ebene mit Abständen und Richtungen, die sich im gesamten Kristall wiederholen –, die NIST-Forscher auf das Raster gebracht haben. Der Artikel ist bekannt. Es ist die Basis unserer gesamten Elektronik. Aber mit den Anfängen des Quantencomputings müssen Physiker mehr darüber wissen. Ihnen soll es gelingen, die Struktur von Silizium so weit zu charakterisieren, dass die Genauigkeit ihrer Messungen durch Quanteneffekte eingeschränkt wird.
© National Institute of Standards and Technology
Wenn Neutronen einen Kristall passieren, erzeugen sie zwei verschiedene stehende Wellen: die erste entlang der atomaren Ebenen und die zweite dazwischen. Die Wechselwirkung dieser Wellen beeinflusst den Weg des Neutrons und offenbart Aspekte der Kristallstruktur.
Daher entschieden sich die Forscher, den Siliziumkristall mit einem Neutronenstrahl zu beschießen. Denn letztere verhalten sich wie Quantenobjekte, sowohl Teilchen als auch Wellen. Ein Neutron, das einen Kristall durchquert, prallt von den Siliziumatomen ab und bildet stehende Wellen zwischen und auf den atomaren Ebenen. Und wenn diese beiden verschiedenen Arten von Wellen interferieren – diejenigen, die gerade zwischen den Ebenen des Gitters rotieren und diejenigen, die von den Atomen, aus denen der Kristall besteht, geknackt werden – bilden sie ein Muster, das Physiker pendellösungs-Oszillationen nennen. Die Analyse dieser Schwingungen ermöglicht es ihnen, die Hindernisse, auf die die Neutronen auf ihrem Weg stoßen, zu charakterisieren und die Kräfte zu beurteilen, die sie beim Durchqueren des Kristalls erfahren haben.
Wertvolle Informationen über die Struktur des Neutrons
Dank einer viermal genaueren Messung als bisher ist es den NIST-Forschern auch gelungen, den Radius der Neutronenladung zu messen, den Physiker nennen. Der Ladungsradius eines neutralen Teilchens? Ja, denn tatsächlich besteht ein Neutron aus drei geladenen Elementarteilchen. Mit einer etwas in der Mitte lokalisierten positiven Ladung und einer von außen gezogenen negativen Ladung. Der Ladungsradius entspricht dem Abstand zwischen diesen beiden Konzentrationen.
© National Institute of Standards and Technology
Das Neutron besteht eigentlich aus drei Elementarteilchen, die Quarks genannt werden. Die Summe der elektrischen Ladungen der drei Quarks ist null, was das Neutron elektrisch neutral macht. Aber die Verteilung dieser Ladungen macht es wahrscheinlich, dass sich die positiven Ladungen im Zentrum des Neutrons befinden und die negativen Ladungen nach außen.
Dieser Nutzlastradius wurde bereits an anderer Stelle gemessen. Aber mit gemischten Ergebnissen. Der Vorteil der hier verwendeten Methode besteht darin, dass sie im Prinzip unbeeinflusst von Faktoren ist, die zu Abweichungen von anderen Experimenten geführt haben können. In einem Siliziumkristall sind die Abstände zwischen den Ladungen sehr klein. Die interatomaren elektrischen Felder sind jeweils sehr intensiv. Wir sprechen von einhundert Millionen Volt pro Zentimeter. Es reicht aus, dass sich das Neutron wie ein komplexes Teilchen verhält.
Wenn auch die Genauigkeit der von den NIST-Forschern entwickelten Methode wichtig ist, liegt dies auch daran, dass Neutronen, die keine elektrische Ladung tragen, nicht mit den Elektronen im Materialkern wechselwirken. Es dringt tiefer in den Kristall ein als beispielsweise Röntgenstrahlen. bis zu einem Zentimeter oder mehr. Dadurch „sehen“ sie mehr Kerne und Elektronen. Genug, um zu zeigen, dass sie möglicherweise nicht im Gleichklang schwingen, und veranlasste Physiker, ihre Methode, die Wechselwirkungen zwischen Atomen eines Siliziumkristalls zu untersuchen, endlich zu überarbeiten.
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