Новые горизонты физики: диаграмма Кинга помогает искать пятую силу
Стандартная модель (СМ) — величайшее достижение физики элементарных частиц — описывает известные фундаментальные взаимодействия и частицы. Однако она не может объяснить темную материю, темную энергию и загадочное преобладание материи над антиматерией во Вселенной. Эти пробелы мотивируют ученых искать «новую физику» — явления, выходящие за рамки СМ. Один из перспективных методов такого поиска — анализ изотопных сдвигов с помощью диаграммы Кинга, который позволяет отделить предсказанные СМ эффекты от потенциальных сигналов новых взаимодействий.
Недавно международная группа физиков из Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Института ядерной физики Макса Планка и ETH Zurich провела высокоточные измерения изотопных сдвигов в кальции, значительно ужесточив ограничения на гипотетическую пятую силу, опосредованную бозоном Юкавы. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters, демонстрирует, как комбинация экспериментальных и теоретических методов позволяет приблизиться к разгадке тайн микромира.
Изотопный сдвиг — крошечное различие в энергетических уровнях атомов с разным числом нейтронов — давно используется для изучения структуры ядер. Однако только сейчас, благодаря прогрессу в спектроскопии, ученые смогли измерить эти сдвиги с беспрецедентной точностью. В 2015 году группа Пита Шмидта разработала метод спектроскопии отдачи фотонов, позволивший достичь точности в 100 кГц. Позже, используя квантовую логическую спектроскопию, они улучшили точность до 100 мГц.
Параллельно команда Дианы Крейк в ETH Zurich применила метод совместного захвата ионов кальция, что позволило исключить систематические погрешности и повысить точность измерений в 100 раз. Это привело к первому в истории обнаружению нелинейности на диаграмме Кинга для кальция — отклонения, которое может указывать на влияние неизвестных взаимодействий.
Ядерная поляризуемость: новый вызов для теоретиков
Нелинейность в диаграмме Кинга могла бы стать сигналом новой физики, но сначала необходимо учесть все вклады самой Стандартной модели. Оказалось, что ключевым фактором является ядерная поляризуемость — деформация ядра под действием электромагнитных полей электронов. Расчеты этого эффекта крайне сложны, и его вклад пока нельзя точно предсказать.
Чтобы устранить неопределенность, исследователи добавили в анализ третий переход, ранее измеренный другими группами. Это позволило частично «вычесть» влияние ядерной поляризуемости и установить самые строгие на сегодня ограничения на гипотетические силы Юкавы, связывающие нейтроны с электронами.
Следующий шаг — повышение точности измерений до 10 мГц и включение дополнительных переходов, что превратит диаграмму Кинга в многомерный инструмент. Это может окончательно исключить вклад ядерных эффектов и открыть путь к обнаружению новых взаимодействий.
Данное исследование не только продвигает поиск физики за пределами СМ, но и подчеркивает важность междисциплинарного сотрудничества — от квантовой спектроскопии до ядерной теории. Возможно, именно такие точные методы, как диаграмма Кинга, однажды приведут нас к открытию пятой силы природы.