Швейцарские учёные используют необычный подход к поиску пятой силы природы — гипотетической силы, которая могла бы помочь разгадать тайны, необъяснимые Стандартной моделью физики элементарных частиц. Эти тайны включают природу тёмной материи и возможность существования новых частиц, способных открыть путь к «новой физике».
В то время как традиционные исследования в этой области опираются на мощные ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК), группа физиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха использовала другой инструмент: прецизионную атомную спектроскопию. Анализируя мельчайшие изменения в уровнях энергии изотопов кальция, учёные надеются обнаружить следы неизвестной силы взаимодействия между нейтронами и электронами. Они предполагают, что эта сила может быть обусловлена пока ещё не обнаруженной частицей.
Границы Стандартной модели
Стандартная модель физики элементарных частиц позволяет учёным с высокой точностью описывать фундаментальные компоненты материи и взаимодействия между ними. Однако, как отмечает Диана Крейк, профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха, эта модель далека от совершенства.
«Стандартная модель — наше лучшее объяснение устройства Вселенной, но мы знаем, что она не может объяснить всё», — сказал Крейк. Например, астрономические наблюдения показывают, что вращение галактик и другие явления невозможно полностью объяснить видимой материей — отсюда и гипотеза тёмной материи. Это говорит о том, что нам необходимо выйти за рамки Стандартной модели.
В поисках пятой силы
Некоторые теории предсказывают существование пятой фундаментальной силы, помимо гравитации, электромагнетизма, а также сильных и слабых ядерных взаимодействий. Одним из возможных признаков такой силы является взаимодействие нейтронов в атомном ядре с электронами на их орбитах.
Обратите внимание: Астрономы обнаружили необычный пульсар.
Если такая сила существует, она может быть обусловлена неизвестной частицей.В отличие от экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК), команда из Швейцарской высшей технической школы Цюриха использовала высокоточные измерения атомной спектроскопии. «Как физики-атомщики, мы можем измерять атомы с чрезвычайно высокой точностью», — объясняет Крейк, входящий в команду профессора Джонатана Холма в Институте квантовой электроники Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
«Идея заключается в том, чтобы использовать прецизионную спектроскопию для поиска этой новой силы между нейтронами и электронами», — сказал Лука Хубер, аспирант, участвующий в исследовании. Если такая сила существует, её величина должна зависеть от числа нейтронов в ядре, добавил он, поэтому группа изучает различные изотопы кальция.
Изотопы и ионные ловушки
Изотопы — это атомы одного и того же элемента, но с разным числом нейтронов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами, но разной массой. Это означает, что электроны в атоме могут испытывать несколько разное воздействие в зависимости от числа нейтронов в ядре.
Чтобы обнаружить эти изменения, учёные использовали ионные ловушки, в которых электромагнитные поля управляют заряженным изотопом, и возбуждали его лазерами. Группа исследовала пять стабильных изотопов кальция, содержащих 20 протонов, но разное количество нейтронов.
В своих экспериментах они смогли измерить изменения уровней энергии с точностью до 100 миллигерц — в 100 раз точнее, чем в предыдущих исследованиях. Для этого учёные одновременно поместили оба изотопа в ловушку, что свело к минимуму погрешность измерений.
Необъяснимые отклонения
Дополнительные эксперименты с участием коллег из Германии и Австралии показали, что наблюдаемые отклонения лишь отчасти могут быть объяснены известными ядерными эффектами. Это предполагает возможность влияния неизвестных факторов, таких как ядерная поляризация — явление, при котором ядро атома деформируется под действием электронов.
«Мы не можем утверждать, что открыли новую физику, — подчеркнул Крейк, — но теперь мы знаем величину этой новой силы, потому что в противном случае мы бы давно обнаружили ее в наших измерениях, хотя и с неопределенностями».
Следующие шаги
Теперь команда планирует изучить третий энергетический переход в изотопах кальция, чтобы добиться ещё большей точности. «Мы надеемся, что это поможет преодолеть теоретические трудности и продвинуться в поиске новых сил», — сказал Крейк.
Результаты исследования были опубликованы в .
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.