A group of researchers have used a groundbreaking new technique to reveal previously unrecognized properties of technologically crucial silicon crystals and uncovered new information about an important subatomic particle and a long-theorized fifth force of nature.
The research was an international collaboration conducted at the National Institute of Standards and Technology (NIST). Dmitry Pushin, a member of the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing and a faculty member in Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, was the only Canadian researcher involved in the study. Pushin was interested in producing high-quality quantum sensors out of perfect crystals.
Dmitry Pushin at NIST.
By aiming subatomic particles known as neutrons at silicon crystals and monitoring the outcome with exquisite sensitivity, researchers were able to obtain three extraordinary results: the first measurement of a key neutron property in 20 years using a unique method; the highest-precision measurements of the effects of heat-related vibrations in a silicon crystal; and limits on the strength of a possible “fifth force” beyond standard physics theories.
In collaboration with researchers from Japan, the U.S. and Canada, the latest work resulted in a fourfold improvement in precision measurement of the silicon crystal structure factor.
Pushin, whose research specializes in neutron physics and interferometry, was instrumental in collecting neutron data and chemically etching samples, which led to examining unexplored forces beyond Standard Model.
“This was a multi-year experiment, and we had great results that are technically exciting and opens the door to future technologies,” said Pushin.
The Standard Model is currently the widely accepted theory of how particles and forces interact at the smallest scales. But it’s an incomplete explanation of how nature works, and scientists suspect there is more to the universe than the theory describes.
The Standard Model describes three fundamental forces in nature: electromagnetic, strong and weak nuclear force. Each force operates through the action of “carrier particles.” For example, the photon is the force carrier for the electromagnetic force. But the Standard Model has yet to incorporate gravity in its description of nature. Furthermore, some experiments and theories suggest the possible presence of a fifth force.
The researchers are already planning more expansive pendellösung measurements using both silicon and germanium. They expect a possible factor of five reduction in their measurement uncertainties, which could produce the most precise measurement of the neutron charge radius to date and further constrain — or discover — a fifth force. They also plan to perform a cryogenic version of the experiment, which would lend insight into how the crystal atoms behave in their so-called “quantum ground state,” which accounts for the fact that quantum objects are never perfectly still, even at temperatures approaching absolute zero.
The study, Pendellösung Interferometry Probes the Neutron Charge Radius, Lattice Dynamics, and Fifth Forces, was published this week in the journal Science.
This project is supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the Transforming Quantum Technologies programs.
Read more about the research from NIST.
Une technique révolutionnaire révèle de nouveaux détails importants sur une possible « 5e force »
Un groupe de chercheurs vient d’utiliser une nouvelle technique révolutionnaire pour révéler des propriétés autrefois inconnues de cristaux de silicium technologiquement cruciaux, et a découvert du nouveau sur une importante particule subatomique et sur une 5e force de la nature qui fait depuis longtemps l’objet d’hypothèses.
Ces travaux ont été menés à l’Institut national des normes et de la technologie des États-Unis (NIST) dans le cadre d’une collaboration internationale. Dmitry Pushin, professeur à l’Institut d’informatique quantique ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, est le seul Canadien à avoir participé à ces travaux. Il s’intéressait à la production de capteurs quantiques de grande qualité à l’aide de cristaux parfaits.
Dmitry Pushin au NIST
En bombardant de neutrons des cristaux de silicium et en mesurant avec une extrême précision les résultats de ces collisions, les chercheurs ont obtenu 3 résultats extraordinaires : la première mesure en 20 ans d’une propriété-clé des neutrons à l’aide d’une seule méthode; les mesures les plus précises jamais effectuées des effets des vibrations liées à la chaleur dans un cristal de silicium; des limites sur la grandeur d’une possible « 5e force » qui déborde du cadre des théories standard de la physique.
Ces plus récents travaux, fruits d’une collaboration entre chercheurs du Japon, des États-Unis et du Canada, ont permis de multiplier par 4 la précision des mesures du facteur de structure de cristaux de silicium.
Dmitry Pushin, qui se spécialise dans la physique des neutrons et l’interférométrie, a joué un rôle important dans la collecte des données sur les neutrons et la gravure chimique des échantillons, ce qui a conduit à l’examen de forces inexplorées allant au-delà du modèle standard.
« Cette expérience a duré plusieurs années, dit-il. Nous avons obtenu des résultats extraordinaires, passionnants sur le plan technique, qui ouvrent la voie vers de futures technologies. » [traduction]
Le modèle standard constitue actuellement la théorie largement acceptée sur les modalités d’interaction des particules et des forces à l’échelle de l’infiniment petit. Cependant, il n’explique pas complètement le fonctionnement de la nature, et des scientifiques soupçonnent que l’univers va au-delà de ce que la théorie décrit.
Le modèle standard décrit 3 forces fondamentales de la nature : la force électromagnétique, l’interaction (nucléaire) forte et l’interaction (nucléaire) faible. Chacune de ces forces agit par l’intermédiaire d’une particule. Par exemple, le photon est la particule qui transmet la force électromagnétique. Le modèle standard doit toutefois encore intégrer la gravité dans sa description de la nature. De plus, certaines expériences et théories laissent entendre qu’il pourrait y avoir une 5e force.
Les chercheurs prévoient déjà faire davantage de mesures par interférométrie de Pendellösung sur le silicium et le germanium. Ils s’attendent à diviser par 5 les incertitudes sur leurs mesures, ce qui permettrait d’obtenir la mesure la plus précise à ce jour du rayon de charge du neutron et de mieux définir les contraintes sur une 5e force — ou même découvrir une telle force. Ils prévoient aussi effectuer une version cryogénique de l’expérience, qui donnerait une idée du comportement des atomes de cristaux dans leur « état quantique fondamental », qui explique pourquoi les objets quantiques ne sont jamais totalement au repos, même à des températures avoisinant le zéro absolu.
L’article intitulé Pendellösung Interferometry Probes the Neutron Charge Radius, Lattice Dynamics, and Fifth Forces (Étudier le rayon de charge du neutron, la dynamique de treillis ainsi que des types de 5e force, à l’aide de l’interférométrie de Pendellösung) a été publié cette semaine dans la revue Science.
Ce projet est financé en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du programme Technologies quantiques transformatrices.
Renseignez-vous davantage sur les recherches menées au NIST.