Швейцарские ученые используют новаторский метод в поисках пятой силы природы — гипотетического взаимодействия, которое, как предполагается, поможет раскрыть тайны, не поддающиеся объяснению в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. К этим нерешенным вопросам относится природа темной материи, а также возможное наличие новых частиц, которые могут привести к открытию «новой физики».
Традиционные исследования в данной области обычно требуют использования мощных ускорителей частиц, например Большого адронного коллайдера (БАК). Однако физики из ETH Zurich прибегают к альтернативному методу – прецизионной атомной спектроскопии. Анализируя незначительные изменения энергетических уровней между изотопами кальция, исследователи стремятся выявить признаки неизвестной силы, воздействующей на взаимодействие нейтронов и электронов. Считается, что передатчиком этой силы может быть пока не обнаруженная частица.
Границы Стандартной модели
Ученые используют стандартную модель физики частиц для точного описания фундаментальных частиц материи и сил, которые ими управляют. Тем не менее, по словам профессора Дианы Крейк из ETH Zurich, эта модель не является идеальной.
«Существующая стандартная модель представляет собой наиболее точное описание устройства Вселенной, однако она не способна охватить все явления », — отмечает Крейк. Так, астрономические данные, такие как вращение галактик, не могут быть полностью объяснены с помощью видимой материи, что и послужило основой для гипотезы о темной материи. Это свидетельствует о том, что требуются новые подходы, выходящие за пределы Стандартной модели.
В поисках пятой силы
Существование пятой фундаментальной силы, отличной от гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий, предполагают некоторые теории. Возможным индикатором такой силы может быть взаимодействие между нейтронами в ядре атома и электронами, вращающимися вокруг него. В случае, если эта сила действительно существует, ее передачу может осуществлять неизвестная частица.
Вместо проведения экспериментов на Большом адронном коллайдере, ученые из ETH Zurich применяют точные измерения атомных спектров. « Обладая опытом в области физики атомного ядра, мы способны проводить измерения атомов с высочайшей точностью », — поясняет Крейк, сотрудник группы профессора Джонатана Хоума в Институте квантовой электроники ETH.
«Целью является поиск этой новой силы, действующей между нейтроном и электроном, посредством высокоточной спектроскопии », — говорит аспирант Лука Хубер, участвующий в исследовании. Он отмечает, что в случае существования такой силы, ее интенсивность, вероятно, будет определяться числом нейтронов в ядре, и поэтому группа ученых изучает разные изотопы кальция.
Изотопы и ионные ловушки
Изотопы – это атомы одного и того же элемента, которые отличаются друг от друга числом нейтронов. Эти атомы обладают одинаковыми химическими свойствами, однако их массы различны. Следовательно, влияние на электроны в атоме может незначительно варьироваться в зависимости от числа нейтронов в ядре.
Для фиксации этих изменений ученые применяют ионную ловушку, в которой электромагнитное поле удерживает заряженный изотоп, а лазер переводит его в возбужденное состояние. Исследовательская группа изучила пять стабильных изотопов кальция, содержащих 20 протонов, но отличающихся количеством нейтронов.
Благодаря проведенным экспериментам, удалось определить сдвиги энергетических уровней с точностью до 100 миллигерц, что на порядок превосходит показатели предыдущих исследований. Для достижения такого результата исследователи одновременно удерживали в ловушке два изотопа, что позволило существенно снизить погрешность измерений.
Необъяснимые отклонения
Дальнейшие исследования, проведенные совместно с коллегами из Германии и Австралии, продемонстрировали, что наблюдаемые отклонения можно лишь отчасти объяснить известными ядерными эффектами. Это свидетельствует о возможном воздействии неизвестного фактора, например, ядерной поляризации – явления, при котором ядро атома подвергается деформации под действием электронов.
«Нельзя сказать, что мы совершили открытие в области физики », — подчеркивает Крейк. «Теперь мы понимаем потенциальную мощь этой силы, поскольку в противном случае мы бы уже зафиксировали ее присутствие в наших измерениях, даже с учетом возможных ошибок ».
Следующие шаги
Для достижения еще большей точности команда намерена исследовать третий энергетический переход в изотопах кальция. « Мы рассчитываем, что это позволит справиться с теоретическими сложностями и добиться прогресса в поиске нового источника энергии », — говорит Крейк.
Результаты исследования опубликованы в журнале .