Неутроните взаимодействат с движещи се наночастици

Работата със свръхстудени неутрони – частици, движещи се със скоростта на тичащ човек, е стартирала през 1969 г.

За изследване на техните свойства физиците традиционно ускорявали такива нутрони в капан, където е по-лесно те да се контролират.

Но с времето неочаквано се изяснило, че периодът на задържане на свръхстудените неутрони в капаните средно винаги е по-малък от предвидения, което влияело негативно на качеството на наблюденията.

През 1999 г. Валерий Викторович Несвижевски от института Лауе-Ланжевен в Гренобъл (Франция) и колегите му открили, че около един на 10 000 000 сблъсъка на свръхстудени неутрони получава топлинен „удар” с неясна природа.

След прехвърлянето на множество обяснения учените стигнали до извода, че най-вероятен кандидат за източник на тази енергия, позволяващ на неутроните да престанат да бъдат свръхстудени и рязко да повишат скоростта, са наночастиците или нанокапките, известни с това, че често се срещат в слоя, който следва веднага под повърхността на повечето материали (включително този, от който били направени вътрешностите на неутронния капан).

За да се убедят в това, те провели експеримент, използвайки за неутронен капан повърхност с предварително избрани параметри наночастици. Изяснило се, че добавката към енергията на единичен свръхстуден неутрон възниквала, когато той, подобно на билярдна топка, се сблъсква с движещата се по вътрешната повърхност на капана наночастица.

И така, наночастиците се оказали нестационарни и способни да предават енергия на неутроните.

И тук започва най-интересното. Авторите на експериментите смятат, че източник на енергията за движение на свръхстудените неутрони са вандерваалсови и – внимание! – казимирови сили.

В резултат набралата енергия частица или преодолява гравитацията и излита през покрития покрив на неутронния капан, или преминава през неговите стени.

От феномена на сблъсъка на наночастиците и неутроните и техния необичаен енергообмен произтичат много важни следствия. Първо, шейсетгодишното разминаване между експериментите по измерване на времето на живот на неутрона и изчислените значения на неговия живот най-после придобива яснота.

Макар че на теория и на практика неутронът (извън ядрото) живее около четвърт час, между предсказаното и реалното значение има около десетсекундна разлика, която не можела да се припише на неточност, тъй като дори изчислените значения са забележително под това време.

Има и по-глобални последствия – точното време на живот на неутрона влияе на нашите умозаключения за произхода на материята в ранната Вселена, за количеството семейства елементарни частици, съществуващи в природата, и дори за моделите на звездообразуване.

Сред по-приземените неща си струва да споменем ето какво: в ръцете ни може да се окаже ново средство за изучаване на движението на наночастиците и тяхното взаимодействие с повърхността на материалите, особено що се касае до вандерваалсовите и казимировите взаимодействия.

Техника, способна да получи сходни резултати, засега, уви, просто не съществува. А тя е в състояние не само да помогне в развитието на химическите технологии, производството на полупроводници, каталитични конвертори, микросхеми и тем подобни, но и например да придвижи изучаването на движението на вируса по мембраната на клетката.

Схема на устройството за задържане на свръхстудени неутрони.

„Това абсолютно ново оръдие на научното познание е открито от нас случайно – казва Несвижевски. – Никой не си е и помислял, че свръхстудените неутрони може да имат практическо приложение. Използването на тези открития във фундаменталната физика, без съмнение, скоро ще стане гореща тема и аз очаквам, че това няма да мине без дебати, които ще засегнат приноса на топлинните „удари” в неопределеността, засягаща времето на живот на неутрона.”

Последствията от това откритие за физиката като цяло може да бъдат още по-интересни.

Отчет за изследването е публикуван в сп. Crystallography Reports, а с кратката му версия можете да се запознаете тук.