中子撞击硅原子就像是海浪在撞击海滩一样，它将帮助物理学家寻找新的基本作用力。图片来源：原文
物理学家已经达成了共识，世间万物都是通过四种基本的力进行相互作用的。然而，这并没有阻碍他们热情地探寻尚不为人所知的第五种基本作用力。这种力的发现可能会解决当今物理学中那些最重要的悬而未决的问题——从暗能量的性质，到量子力学和广义相对论之间看似不可调和的冲突。现在，美国国家标准与技术研究所（NIST）进行的一项实验，为探寻第五种基本作用力可能的特性提供了新的线索。这项研究的成果发表于2021年9月的《科学》杂志。
“关于‘第五种力’的搜寻工作实际上是在人类所观察到的全部尺度上进行的。”该研究的主要作者本杰明·希科克（Benjamin Heacock）说。由于不同理论预测出了特性各异的第五种力，物理学家正通过各种途径——从对星系等天体的观测，到定制的微观仪器的微小运动——寻找第五种力产生的微妙影响。不过到目前为止，所有的搜索都一无所获。在2021年获得“科学突破奖”（Breakthrough Prize）的一项研究中，科研人员得出了结论，第五种力要么比理论预测的弱得多，要么根本就不存在。
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NIST的实验遵循着类似的想法，但使用了一种新的实验技术。“我们的目标是在第五种力的强度限度上取得进展，为此实验可以在任何尺度上进行。对我们来说，这恰好是在原子尺度上。”希科克说。在这样的尺度上测量相关的相互作用是独特的挑战，即使是来自其他已知力（如电磁力）的最微弱的影响也能轻易地破坏精细的测量。NIST团队准备用中子来解决这一问题，中子是一种电中性的粒子，通常存在于原子核中，它几乎不会受到电磁效应的影响。
在实验中，研究人员观察的中子会穿过一种经过特殊加工的、近乎完美的硅晶体。在这个完美的晶体内部，硅原子按可预测的网格状图案排列，并通过NIST的特殊设施屏蔽掉了光、热、振动和其他外部噪声来源。
穿过网格的中子会与一些硅原子碰撞，并避开另一些硅原子。但由于中子是在原子尺度上飞行的，在量子力学的规则下，所有的粒子都表现得像波，它们与硅原子的碰撞就像海浪撞向散布着间隔均匀的大块岩石的海岸。当一个中子撞上一个硅原子时，这种相互作用就会产生类似于中子波纹的东西。这一波纹与邻近的硅原子附近产生的其他中子波纹叠加，形成波纹干涉的图案，就像海滩岩石旁波涛汹涌的海面。
最重要的是，通过巧妙的实验设计，研究人员能确保某些中子“波浪”在硅原子“岸”旁以一种非常特殊的方式叠加，从而形成所谓的“钟摆”振荡（Pendellösung oscillation）。这种振荡大致与拍音类似——当两种频率差异很小的声波同时播放时，低音量和高音量交替出现的听觉效果。在新实验中，当中子波撞上硅原子时，产生的难以探测的特殊波纹图案就与这种现象类似。
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研究团队仔细分析了这些特殊的波纹，寻找有关硅“岩石”和撞击它们的中子波的关键细节。这就好比要搞清楚海边的每个波浪携带了多少水，是否有岩石在碰撞中移动。更重要的是，如果有原子尺度的第五种相互作用力在起作用，中子波干涉图案的细节就能揭示出它的存在，就像海浪中的涟漪会沿着被淹没的海堤边缘移动一样。尽管研究人员没能发现第五种力存在的迹象，但他们为第五种力的强度确定了新的限度，其准确度是之前结果的10倍。
希科克指出，他的团队已经对如何推进工作有了一些想法，例如使用锗晶体而不是硅，锗晶体中原子的结构排列与硅不同，可能对精确观测中子干涉更为有利。另一个目标是正式地扩展现有的原子尺度精确测量目录，以供所有正在搜寻第五力的物理学家在各自的研究中参考。希科克指出，理想情况下，这些新的测量研究会为未来更多的研究打开一扇大门。“我认为任何实验都有局限性，但我们远没有触碰到这个局限。”他说。
撰文：卡尔梅拉·帕达维奇-卡拉汉（Karmela Padavic-Callaghan）
翻译：赵剑琳
审校：王昱
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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