Загадка Вселенной: может ли "пятая сила" объяснить то, чего мы не понимаем?

Изображение Даниэля Сида через Pexels

Ученые из Цюрихской высшей технической школы (ETH Zurich), а также их коллеги из Германии и Австралии, провели невероятно точные измерения с атомами кальция. Результаты этих измерений могут намекать на существование чего-то, что выходит за рамки современной физики. Хотя исследователи и не заявляют об открытии новой силы, их работа расширяет горизонты наших знаний и сужает рамки для теорий, которые пытаются выйти за пределы так называемой Стандартной модели.

Что такое Стандартная модель?

Представьте себе, что Стандартная модель – это как самая подробная карта мира, которая есть у ученых. Она описывает все известные частицы и силы, но, как и любая карта, она неполна. Например, она не может объяснить темную материю, загадочную субстанцию, которая составляет большую часть массы Вселенной.

Некоторые ученые предполагают, что существует некая "пятая сила" в природе. Возможно, она переносится новой частицей и взаимодействует с электронами и нейтронами. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи изучили мельчайшие различия в атомных переходах, известные как изотопические сдвиги, в ионах кальция.

Они сосредоточились на двух конкретных переходах: ³P₀ → ³P₁ в Ca¹⁴⁺ и ²S₁/₂ → ²D₅/₂ в Ca⁺. Эти переходы были измерены для пяти стабильных изотопов кальция (Ca⁴⁰, Ca⁴², Ca⁴⁴, Ca⁴⁶ и Ca⁴⁸), каждый из которых содержит 20 протонов, но разное количество нейтронов. Измерение этих сдвигов с точностью до долей герца – задача не из легких. "Мы захватывали два изотопа одновременно в ионную ловушку и измеряли их вместе", – объяснил докторант Лука Хубер. Этот хитрый прием помог устранить помехи и позволил измерять разности частот с точностью до 100 миллигерц.

Как проводились измерения?

Параллельно другие научные группы измеряли переходы в высокозарядных ионах кальция и вычисляли отношения масс ядер с невероятно малой погрешностью – менее 4 × 10⁻¹¹. Собрав все эти данные воедино, исследователи построили так называемый King plot (KP). В идеале, если бы все соответствовало известным законам физики, точки на графике Кинга должны были бы выстроиться в прямую линию. Но в данном случае этого не произошло.

"Главная особенность этих графиков Кинга заключается в том, что если все точки лежат на прямой линии, то измеренные значения можно объяснить известными эффектами ядерной физики", – пояснила Диана Прадо Лопес Ауде Крейк, профессор физики ETH Zurich. Однако полученные данные показали отчетливую кривую, нелинейность, со значимостью около 10³ σ, что намного превышает допустимую случайность.

Что вызвало отклонение на графике?

Так что же заставило график изогнуться? Команда провела тщательные расчеты и выяснила, что наибольший известный эффект от Стандартной модели, массовый сдвиг второго порядка, недостаточен для объяснения наблюдаемого отклонения. Единственным известным фактором, который мог бы быть достаточно сильным, является так называемая ядерная поляризация. Это явление, когда ядро атома слегка искажается под воздействием окружающих электронов. Ядерная поляризация изучена не так хорошо, но, возможно, именно в ней кроется разгадка.

Ограничения для новых теорий

Хотя результаты и не подтверждают существование новой физики, они помогают сузить круг поиска и установить ограничения на возможные теории. Ученые использовали полученные данные, чтобы уточнить ограничения на гипотетическое взаимодействие Юкавы – тип силы, которая может переноситься новым бозоном (частицей-переносчиком силы). Их измерения сузили возможные значения масс бозонов в диапазоне от 10 эВ/c² до 10⁷ эВ/c².

Исследователи не собираются останавливаться на достигнутом. Они уже работают над измерением третьего перехода в кальции с еще большей точностью. "Мы надеемся, что это поможет нам преодолеть теоретические трудности и добиться дальнейшего прогресса в поиске этой новой силы", – заявила Ауде Крейк.

Этот пример демонстрирует, как передовые методы измерений, такие как сверхточные ионные ловушки и частотный анализ, могут расширить наши представления о Вселенной. Даже если вы не являетесь экспертом в физике элементарных частиц, интересно наблюдать, как эксперименты на атомном уровне помогают проверить смелые гипотезы, такие как существование новых сил и частиц.

Источник: ETH Zurich, American Physical Society

Мнение редакции MSReview: Данное исследование поднимает интересные вопросы о пределах Стандартной модели и возможности существования новых сил во Вселенной. Хотя прямого подтверждения новой физики не получено, ужесточение ограничений на параметры гипотетических частиц является важным шагом вперед.