Физики из Швейцарии разработали новый метод поиска загадочной «пятой силы» природы

Ученые из Швейцарии предпринимают необычный подход в поиске пятой силы природы — гипотетического взаимодействия, которое может помочь разгадать тайны, не объяснимые в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Среди этих загадок — природа темной материи, а также возможное существование новых частиц, способных открыть дверь в «новую физику».

В то время как традиционные исследования в этой области полагаются на мощные ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК), команда физиков из ETH Zurich использует другой инструмент — прецизионную атомную спектроскопию. Анализируя крайне слабые сдвиги энергетических уровней между изотопами кальция, ученые надеются обнаружить следы неизвестной силы, действующей между нейтронами и электронами. Предполагается, что эту силу может переносить пока не открытая частица.

Границы Стандартной модели

Стандартная модель физики частиц позволяет ученым с высокой точностью описывать фундаментальные составляющие материи и взаимодействия между ними. Однако, как отмечает профессор ETH Zurich Диана Крейк, эта модель далека от совершенства.

«Стандартная модель — лучшее из существующих объяснений устройства Вселенной, но мы знаем, что она не может объяснить все», — говорит Крейк. Например, астрономические наблюдения показывают, что вращение галактик и другие явления невозможно полностью объяснить видимой материей — отсюда и гипотеза о темной материи. Это указывает на необходимость выхода за рамки Стандартной модели.

В поисках пятой силы

Некоторые теории предсказывают существование пятой фундаментальной силы, помимо гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий. Один из возможных признаков такой силы — взаимодействие между нейтронами в ядре атома и электронами на его орбите. Если эта сила существует, ее может переносить неизвестная частица.

В отличие от экспериментов на БАК, команда ETH Zurich использует высокоточные измерения атомных спектров. «Как физики-атомщики, мы можем измерять атом с исключительной точностью», — объясняет Крейк, работающая в группе профессора Джонатана Хоума в Институте квантовой электроники ETH.

«Идея состоит в том, чтобы искать эту новую силу между нейтроном и электроном с помощью прецизионной спектроскопии», — говорит аспирант Лука Хубер, участвующий в исследовании. По его словам, если сила существует, ее интенсивность должна зависеть от количества нейтронов в ядре, поэтому команда изучает различные изотопы кальция.

Изотопы и ионные ловушки

Изотопы — это атомы одного и того же элемента с разным количеством нейтронов. Химически они идентичны, но их массы различаются. Это означает, что воздействие на электроны в атоме может незначительно меняться в зависимости от количества нейтронов в ядре.

Чтобы зафиксировать эти изменения, ученые используют ионную ловушку, где электромагнитное поле удерживает заряженный изотоп, а лазер переводит его в возбужденное состояние. Команда исследовала пять стабильных изотопов кальция с 20 протонами, но разным числом нейтронов.

В ходе экспериментов им удалось измерить сдвиги энергетических уровней с точностью до 100 миллигерц — в 100 раз точнее, чем в предыдущих исследованиях. Для этого ученые одновременно удерживали в ловушке два изотопа, что позволило минимизировать погрешности измерений.

Необъяснимые отклонения

Дополнительные эксперименты с участием коллег из Германии и Австралии показали, что наблюдаемые отклонения лишь частично объясняются известными ядерными эффектами. Это указывает на возможное влияние неизвестного фактора, такого как ядерная поляризация — явление, при котором ядро атома деформируется под воздействием электронов.

«Мы не можем утверждать, что открыли новую физику», — подчеркивает Крейк. «Но теперь мы знаем, насколько сильной может быть новая сила, потому что в противном случае мы бы уже обнаружили ее в наших измерениях, несмотря на погрешности».

Следующие шаги

Теперь команда планирует изучить третий энергетический переход в изотопах кальция, чтобы добиться еще большей точности. «Мы надеемся, что это поможет преодолеть теоретические трудности и продвинуться в поисках новой силы», — говорит Крейк.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Запись Физики из Швейцарии разработали новый метод поиска загадочной «пятой силы» природы впервые опубликована на сайте Про технологии.