"Как правило, чем тяжелее переносчик фундаментальных взаимодействий, тем короче те расстояния, на которых действуют связанные с ними силы природы. Наши измерения помогли на порядок уменьшить тот диапазон расстояний (от 0,2 нм до 10 нм), в которых может действовать пока не открытое пятое взаимодействие", – рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник Национального института стандартов и технологий США Бенджамин Хикок.
Почти все элементарные частицы состоят из кварков и глюонов. В протонах, нейтронах и других барионах содержится три кварка. В мезонах их два, один из которых – антикварк, базовая составляющая антиматерии. В конце прошлого столетия физики выяснили, что внутри этих частиц есть не только реальные кварки, но и так называемое море виртуальных частиц, множество непрерывно рождающихся и исчезающих пар кварков и антикварков. Их существование объясняется законами квантовой механики и хромодинамики.
Эти частицы взаимодействуют с кварками в протонах и нейтронах, что влияет на их свойства и придает последним частицам крайне небольшой, но ненулевой частичный электрический заряд. Физики уже два десятилетия пытаются измерить это значение, отражающее характер распределения реальных и виртуальных кварков внутри нейтронов.
Первые попытки сделать это закончились неудачей – результаты экспериментов сильно разошлись из-за низкой точности измерений. Хикок и его коллеги выяснили, что эту проблему можно обойти, если поместить нейтроны внутрь высококачественного кристалла из кремния.
"Когда нейтрон находится внутри кристалла, он, по сути, попадает в атомное электронное облако. Расстояния между носителями заряда внутри него крайне малы, из-за чего в этом облаке возникает сверхмощное электрическое поле. Оно заставляет нейтроны вести себя как составные сферические частицы, обладающие частично положительной и отрицательной оболочками", – объяснил физик.
Руководствуясь подобными соображениями, ученые облучили кристалл пучками нейтронов, направленных вдоль и поперек рядов атомов кремния в кристаллической решетке, и проследили, как электрические поля влияли на характер движения частиц. Эти измерения ученые сопоставили с рентгеновскими снимками кристалла, что помогло им максимально точно вычислить зарядовый радиус нейтронов и определить возможный вклад "пятой силы" природы в их взаимодействиях с кремнием.
Первый параметр оказался выше текущих общепринятых значений, но при этом очень близким к тем результатам, которые были получены советскими физиками еще в 1986 году. Во втором случае ученым удалось на порядок сузить возможные границы действия пока неизвестных науке фундаментальных взаимодействий, что позволит сократить перечень теорий, описывающих потенциальные проявления "новой физики" за пределами Стандартной модели.
В ближайшее время физики планируют повторить эти измерения, но уже при температурах, близких к абсолютному нулю. Это, как надеются ученые, дополнительно повысит точность оценок зарядового радиуса нейтронов в результате снижения уровня случайных шумов до минимально возможных значений, накладываемых законами квантовой механики.
