粒子物理學標準模型，是一個被廣泛接受的關於粒子和力在最小尺度上如何相互作用的理論，也是公認的有史以來最成功的科學理論之一。然而，它並不完備。一直以來，物理學家都在試圖透過各種實驗，以發現標準模型之外的新粒子和基本力。

標準模型描述了除引力外的其他三種基本力：強力、弱力、電磁力。這三種力都是透過“載力粒子”來傳遞的，比如電磁力是由光子傳遞的。然而，除了已知的四種基本力，一些實驗和理論還表明，自然界中可能存在第五種力，即所謂的湯川力。

為了給這第五種力的強度設限，許多科物理學家已經在各種長度尺度上展開了實驗測試。在一項新發表於《科學》雜誌的研究中，一個國際研究團隊透過使用一種名為Pendellösung干涉測量法的方法，對矽中子的結構因子進行了精密測量，揭示了矽晶體的一些未知特性，還發現了一些新的與中子有關的重要資訊，並觸及到了與可能存在的第五種基本力有關的新認知。

為了在原子尺度上獲得與晶體材料有關的資訊，科學家通常會將一束粒子（如X射線、電子束、中子束等）瞄準晶體，然後在粒子穿過晶體的原子晶格時，對粒子束的角度、強度和圖樣進行探測。這些資訊對於描述微晶片器件的電子、機械和磁性特性，以及瞭解各種新型奈米材料的新型應用至關重要。

在新研究中，物理學家就透過記錄將中子射向矽晶體的過程，獲得了不同尋常的結果。對於現代科技來說，矽是一種舉足輕重的材料。更好地瞭解矽晶體的結構，將有助於更好地瞭解這些器件在不同條件下運作的狀況。

中子，就像所有的量子物體一樣，既有點狀粒子的性質，也有波的性質。當中子穿過矽晶體時，會形成兩種駐波，一種與格面對齊，一種介於格面之間。當這兩種路徑的波結合在一起形成干涉時，它們會產生一種微弱的圖樣——pendellösung振盪，這種圖樣可以為了解中子在晶體內所受的力提供線索。

我們知道，中子是電中性的，它由三個夸克組成，兩個下夸克（d）和一個上夸克（u）。下夸克和上夸克具有不同的電特性，下夸克攜帶-1/3個單位電荷，上夸克攜帶+2/3個單位電荷。它們通常不會完全均勻地分佈，帶負電荷的下夸克傾向於位於中子的外部，而帶正電荷的夸克則位於中子中心。二者之間的距離，被稱為電荷半徑。

電荷半徑是基礎物理學中非常重要的一個長度，不同的實驗研究已經對此展開過一些測量，但結果都大相徑庭。以X射線散射測量法為例，這是一種有效的測量方法，但它的準確性受到由熱引起的原子運動的限制。熱振動會使格面之間的距離不斷變化，從而改變被測量的干涉圖樣。

而新研究中所使用的Pendellösung干涉測量法並不會受到這類因素的影響。利用這種方法，研究人員精確地測量了中子的“電荷半徑”，成功地將對矽晶體的結構因子（描述了入射輻射如何從矽和鍺等材料中散射，並表徵了材料和散射粒子間的相互作用）的精密測量提高了4倍。

透過中子pendellösung振動，研究人員檢驗了X射線散射模型的預測值，發現那些預測值明顯低估了振動的幅度。研究人員表示，新的測量方法之所以如此靈敏，一個原因就在於中子穿透到晶體的深度比X射線要深得多（1cm以上），因此可以測量的原子核數量也大得多。

測得的中子的結構因子也改善了對湯川力的強度約束。一般來說，如果一個載力粒子的作用長度與其質量成反比，那麼就意味著它只能在有限的範圍內影響其他粒子。因此如果能夠確定一個載力粒子可能發揮作用的範圍，那麼就能確認它的力的強度範圍。

新的結果將可能存在的第五種力的作用長度限制在0.02奈米到10奈米的範圍內，將這種的力的強度限制提高了10倍，為第五種力的搜尋者提供了一個更精確的查詢範圍。

接下來，研究人員將計劃使用矽和鍺進行更寬泛的pendellösung測量。他們預計還能將測量結果的不確定性縮小到現有的1/5，這將會產生迄今為止最精確的中子電荷半徑測量，並能夠進一步限制——或者發現第五種力。

此外，他們還計劃進行一個低溫版本的實驗，這將有助於瞭解晶體原子在所謂的“量子基態”中的行為，從而瞭解到即使在接近絕對零度的溫度下，量子物體也永遠不會完全靜止的事實。

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/09/groundbreaking-technique-yields-important-new-details-silicon-subatomic

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abc2794