Четири сили управляват Вселената в продължение на милиарди години – калцият подсказва, че има и пета

Физици от Германия и Швейцария са постигнали рекордна точност при измерванията на изместването на калциеви изотопи и са я използвали, за да поставят нови ограничения върху съществуването на хипотетична пета фундаментална сила. Работата им се основава на метода King plot – графична техника, която им позволява да идентифицират отклонения в поведението на атомите, които не се вписват в Стандартния модел.

Стандартният модел описва всичко, което е известно за частиците и техните взаимодействия, но не успява да обясни тъмната материя, тъмната енергия и дисбаланса между материята и антиматерията. В търсене на физика отвъд тази теория учените търсят и най-малките несъответствия в наблюдаваните данни. Един от тези пътища е изучаването на изотопните изменения – фини промени в енергията на атомите в зависимост от броя на неутроните в ядрото.

Екип от Института по метрология в Брауншвайг, Института по ядрена физика „Макс Планк“ и Швейцарският федерален технологичен институт в Цюрих е направил серия от високоточни измервания на преходи в калциеви йони.

Те са постигнали точност от стотици милихерци, което е позволило да се построи т.нар. субхерцова King plot графика. Тази графика показва нелинейността, регистрирана за първи път за калция – отклонение от очакваната права линия – което може да показва приноса на нова физика.

За да елиминират влиянието на стандартните ефекти, изследователите комбинират няколко спектрални прехода в изотопите на Ca⁺ и Ca¹⁴⁺. Те също така са успели да компенсират приноса на масата и размера на ядрата, а прецизните измервания от други лаборатории са помогнали за подобряване на точността на изчисленията. Въпреки това в теорията се допуска, че оставащата нелинейност може да е свързана с полярността на ядрото – сложен ефект, който все още не може да бъде точно изчислен.

Като са добавили трети спектрален преход към анализа, учените са стеснили параметрите на възможно взаимодействие от типа Юкава – една от формите, в които може да се прояви петата сила, която свързва неутроните и електроните. По този начин те са установили най-строгите досега ограничения за такава хипотетична сила, основани на метода King plot.

Работата ще продължи: групата на ETH вече прави още по-прецизни измервания с цел постигане на точност от 10 милихерца. Ако приносът на поляризацията може да бъде експериментално елиминиран, ще бъде възможно по-нататъшно изследване на границите на Стандартния модел, без да се разчита на неточни теоретични изчисления.

Изследването, публикувано в списание Physical Review Letters обединява експерти в областта на прецизната оптична спектроскопия, масспектрометрията, атомната теория и физиката на високите енергии. То показва как фундаменталната физика може да напредне не само чрез ускорители, но и чрез фини лабораторни измервания.