对晶体结构检测来说，中子散射是一种常用技术。但它的潜力却不止于此。这项围绕中子散射展开的新研究不仅加深了对晶体的认识，还差点抢了理论物理、粒子物理和高能物理学家的饭碗——测量了中子的电荷半径，甚至为第五种基本作用力的搜寻助了一臂之力。

中子、原子和散射角度

散射实验是在原子尺度上了解晶体特性的常用手段——将一束粒子（如 X 射线、电子或中子）射入晶体，并监测粒子束穿透晶体或被晶体中的原子反弹后射出的角度、强度和模式，以此了解晶格中原子排布的几何特征。 对微芯片和各种可应用于量子计算等下一代技术的新型纳米材料所具有的各类特性（如电子特性、机械特性和磁特性等）的表征来说，这些信息至关重要。我们已经对其有了初步了解，但若想更进一步，所要掌握的知识必须越来越详尽。 NIST 的高级项目科学家 Michael Huber 说，“硅晶体是几乎一切电子组件的基础。彻底了解硅晶体的晶体结构，是了解在（测量精度被量子效应限制的）临界状态工作的电子组件性质的必要前提。”
而这项新研究，将硅晶体结构的测量精确度提高了四倍。 

当中子穿过晶体时，它们会产生两种不同的驻波——一种沿晶面，一种在晶面之间。这些波的相互作用会影响中子的路径，揭示晶体结构的特征。来源：NIST

像所有量子物体一样，中子同时具有粒子和波的双重性质。在穿过晶体时，中子会在周期性排布的原子间形成驻波，被称作布拉格平面（Bragg planes），就像是被拨动的吉他弦。当两列这样的波结合，也就是发生了物理学所说的“干涉”时，就会产生一种微弱的振荡模式，叫做 Pendellösung 振荡。由此，研究者们就能够深入地了解中子在晶体内部所受的力。 “想象一下，你有两把相同的吉他，”Huber 说，“并用同样的方式拨动它们。如果其中一根琴弦的振动路径上有一个与公路上的减速带相同的装置——就像晶格中的原子平面，而另一根琴弦则完全自由。这两把吉他的声音自然会有所不同。将两者进行比较，我们可以获得一些关于‘减速带’的信息：有多大？是否光滑？形状会不会也很有意思？”

中子，并不像听上去那么中性

这项研究得到了许多引人注目的结果，其中之一就是以全新的方式测量了中子的“电荷半径”，误差之小可与此前最精确的测量一较高下。中子，顾名思义，是电中性的。但组成中子的基本粒子——三个夸克却是带电的。这些带有不同电荷的夸克并不在中子结构中均匀分布。

一个中子由三个夸克组成，三个夸克的总电荷为零，使中子呈现电中性。正电荷更可能出现在中子的中心，而负电荷更可能出现在中子外部。来源：NIST
来自其中一种夸克的负电荷主要分布在中子结构的外层，而来自另一种夸克的正电荷主要位于中心。正负电荷聚集位置间的距离就是中子的“电荷半径”。中子电荷半径的数值对基础物理学至关重要，对其进行测量的实验已有很多，可给出的结果却大相径庭。导致误差的原因有很多，但科学家们认为，新的 Pendellösung 测量数据不会受到这些因素的影响。 在带电的环境中测量 Pendellösung 振荡，是测量电荷半径的独特途径。“所谓的中子在晶体中，实际是中子在原子晶格的电子云中。”这篇论文的第一作者，NIST 的 Benjamin Heacock 说。“由于晶体中电荷之间的距离非常小，原子间的电场极强，高达一亿 V/cm（沿电场方向，每厘米的电势差为一亿伏）。得益于此，测量能够非常灵敏地发现中子在极强电场中的行为，也就是作为复合粒子，其略带正电的核心与略带负电的壳层的行为。”

振动与不确定性

中子散射的替代之一是 X 射线散射。但X射线散射的精确度受原子热运动的限制。热振动会导致晶面之间的距离不断变化，从而使干涉模式发生变化。 科学家们使用中子 Pendellösung 振荡验证了X射线散射模型的一些预测结果，发现其中许多都低估了上述振动的幅度。 这一结果为 X 射线散射和中子散射提供了极具价值的补充信息。“在散射过程中与中子发生相互作用的，几乎完全是晶体中原子的原子核（包括质子和中子），”Huber 说，“而 X 射线散射揭示的是电子在原子晶格间的分布方式。这两者互补的信息加深了我们的理解。” “我们的测量如此灵敏，其原因之一是中子穿透晶体的深度比 X 射线深得多——至少一厘米，因此能测量覆盖的原子核数量更多。以往人们通常假设原子核和电子不会振动，但我们发现了与之相反的证据。这刷新了我们对硅原子在晶格中相互作用的认知。” 

第五力

标准模型（Standard Model）是目前被广泛接受的理论，描述了最小尺度的粒子，以及粒子间的相互作用。但标准模型只是对自然运转方式不完整的解释。科学家们怀疑，宇宙中存在着超出了标准模型描述范围的东西。 标准模型涵盖了自然界中的三种基本作用力：电磁力、强力和弱力。每种力的作用由一种对应的“载体粒子”所承载，例如光子就是电磁力的载体。但标准模型并未将引力纳入其描述范围。此外，一些实验和理论表明，电磁力、强力、弱力和引力以外的第五种力也是可能存在的。 Heacock 说：“对于力的载体粒子来说，作用范围的尺度一般与它的质量成反比，”这意味着它能对其它粒子造成影响的范围是有限的。但没有质量的光子可以在无限的范围内发生作用。“由此，如果我们能够进一步确定它可能的作用范围，就可以了解它强度的限制范围。”在 0.02 纳米和 10 纳米之间的尺度上，科学家将可能存在的第五力强度限制范围优化了十倍，为第五力的探索者缩小了搜寻范围。 研究者正计划使用硅和锗进行更广泛的 Pendellösung 测量，预计能将测量不确定度降低五倍，产生迄今为止最精确的中子电荷半径测量值，并进一步提供与第五力有关的约束和发现。他们还计划进行低温版本的实验，将帮助深入了解晶体原子在量子基态的行为——即使处在温度接近绝对零度的基态，量子物体也不会完全停止运动或进入静止状态。
参考来源：https://www.eurekalert.org/news-releases/927330