Четыре силы правили Вселенной миллиарды лет. Кальций намекнул, что есть пятая

Физики из Германии и Швейцарии добились рекордной точности в измерениях сдвигов изотопов кальция и с её помощью поставили новые ограничения на существование гипотетической пятой фундаментальной силы . Их работа основана на методе King plot — графическом приёме, позволяющем выявить отклонения в поведении атомов, которые не укладываются в рамки Стандартной модели.

Стандартная модель описывает всё, что известно о частицах и их взаимодействиях, но при этом не объясняет тёмную материю, тёмную энергию и дисбаланс между материей и антиматерией. В поисках физики за пределами этой теории учёные ищут малейшие несоответствия в наблюдаемых данных. Одним из таких направлений стали исследования сдвигов изотопов — тонких изменений в энергии атомов в зависимости от числа нейтронов в ядре.

Команда из Института метрологии в Брауншвейге, Института ядерной физики Макса Планка и ETH Zurich провела серию высокоточных измерений переходов в ионах кальция. Они достигли точности на уровне сотен миллигерц, что позволило построить так называемый субгерцовый King plot. На этом графике проявилась впервые зафиксированная для кальция нелинейность — отклонение от ожидаемой прямой линии, которое может указывать на вклад новой физики.

Чтобы исключить влияние стандартных эффектов, исследователи объединили несколько спектроскопических переходов в изотопах Ca⁺ и Ca¹⁴⁺. Им также удалось компенсировать вклады массы и размера ядер, а точные измерения со стороны других лабораторий помогли улучшить точность расчётов. При этом теория допускает, что оставшаяся нелинейность может быть связана с поляризуемостью ядра — сложным эффектом, который пока не удаётся точно рассчитать.

Добавив третий спектральный переход в анализ, учёные сузили параметры возможного взаимодействия типа Юкавы — одной из форм, в которых может проявляться пятая сила, связывающая нейтроны и электроны. Таким образом, они установили наиболее жёсткие на сегодняшний день ограничения на такую гипотетическую силу, основанные на методе King plot.

Работа продолжится: группа ETH уже проводит ещё более точные измерения с прицелом на точность в 10 миллигерц. Если удастся экспериментально исключить вклад поляризуемости, то станет возможным ещё глубже исследовать границы Стандартной модели, не полагаясь на неточные теоретические расчёты.

Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, объединяет усилия специалистов в прецизионной оптической спектроскопии, массовой спектрометрии, атомной теории и физике высоких энергий. Оно показывает, как фундаментальная физика может продвигаться вперёд не только за счёт ускорителей, но и благодаря тончайшим лабораторным измерениям.