Resultado revolucionário: pesquisadores desvendam os mistérios da quinta força da natureza

Condividi su Whatsapp Condividi su Linkedin

Há uma quinta força na natureza, há muito teorizada, mas nunca “vista”. Ontem, 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 especial as de cristais de silício , e monitorando o resultado com uma sensibilidade nunca antes alcançada, com o objetivo de verificar se a quinta força da natureza, teorizado por muito tempo, mas nunca medido de forma alguma, realmente existia.

Para obter informações sobre materiais cristalinos em escala atômica, os cientistas geralmente apontam um feixe de partículas (como raios-X, elétrons ou nêutrons) no cristal e detectam as propriedades do material quando esse feixe passa ou rebate 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 microchip e vários novos nanomateriais para aplicações de próxima geração, incluindo computação quântica. O que, mesmo que soe como ficção científica, já é uma realidade.

Uma compreensão amplamente aprimorada da estrutura cristalina do silício, o substrato “universal”, o material básico sobre o qual tudo é construído, será crucial para a compreensão da natureza dos componentes que operam perto do ponto onde a precisão das medições é limitada por efeitos. quantum

explica Michael Huber, cientista sênior do projeto.

O que acontece no nível quântico

quinta força da natureza

©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 desse fascinante ramo da física é na verdade 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 se aproximar cada vez mais desses limites. E é isso que os pesquisadores do NIST conseguiram fazer, melhorando a precisão das medições na estrutura do cristal de silício em quatro vezes.

Como todos os objetos quânticos, os nêutrons têm propriedades tanto de partículas pontuais quanto de ondas. Então, quando um nêutron, que é uma partícula com uma massa, embora muito pequena, viaja através do cristal, ele gera ondas (como uma corda de violão dedilhada), e, quando as ondas vindas de cada uma das duas rotas se combinam (tecnicamente “elas interferem ”), criam oscilações específicas chamadas pendellösung que fornecem informações sobre as forças que os nêutrons experimentam dentro do cristal.

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

Os resultados

Os cientistas conseguiram, assim, obter três resultados extraordinários: a primeira medição de uma propriedade-chave dos nêutrons, as medições de mais alta precisão dos efeitos das vibrações relacionadas ao calor em um cristal de sílica e os “limites” de uma possível quinta força. Da natureza.

quinta força da natureza

©NIST

Nêutrons não são exatamente neutros

Parece uma contradição em termos, mas é verdade. Os cientistas, de fato, mediram o ‘raio da carga elétrica’ com uma precisão muito maior 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 quarks com diferentes propriedades elétricas que não são exatamente distribuídas uniformemente.

Cuidado com as vibrações

Uma alternativa válida aos nêutrons para medições de propriedades do cristal é o espalhamento de raios X. Mas sua precisão foi limitada pelo movimento atômico causado pelo calor. A vibração térmica, em particular, muda 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 oscilações de nêutrons 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.

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 existe 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 .

Os pesquisadores liderados pelo NIST conseguiram agora determinar os “limites” de ação desta 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 só pode afetar outras partículas em um intervalo limitado. Mas o fóton, que não tem massa, pode atuar em um raio ilimitado. Então, se pudermos limitar o intervalo dentro do qual ele pode atuar, podemos limitar sua força

Os resultados dos cientistas 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 da quinta força uma faixa estreita para olhar.

Caçadores entre os quais eles próprios se aplicam, planejando medições nas oscilações pendellösung de nêutrons no silício e no germânio, e visando um possível fator de redução de cinco em suas incertezas, o que poderia render a medição mais precisa do raio da carga dos nêutrons para data e limite posterior (ou talvez realmente descubra) 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 de fato muito mais do que uma curiosidade científica. Na verdade, 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.

Fontes de referência: NIST / Science

Condividi su Whatsapp Condividi su Linkedin
Você está no Facebook?

Curta as mais belas fotos, dicas e notícias!

Você está no Pinterest?

As fotos mais bonitas sempre contigo!

Siga no Facebook
Siga no Pinterest