Космос 7 июля 2025

Аномалии в атомах показали: возможно, пятая сила природы все же существует

Физики ищут следы тёмной материи с помощью ионов кальция и сверхточных измерений.

Учёные из Швейцарии, Германии и Австралии проводят эксперименты с изотопами кальция, чтобы найти гипотетическую пятую силу природы — возможный ключ к разгадке природы тёмной материи. Их подход основан не на ускорителях, а на атомной спектроскопии с беспрецедентной точностью.

Стандартная модель (Standard Model) описывает все известные элементарные частицы и четыре фундаментальные силы природы: гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Она удивительно точна, но не даёт ответов на всё — в частности, на загадку тёмной материи, отметила Диана Прадо Лопес Ауде Крайк (Diana Prado Lopes Aude Craik), профессор физики в Швейцарской высшей технической школе Цюриха (ETH Zurich).

Стандартная модель — лучшее из того, что у нас есть, но она не объясняет всю картину. Тёмная материя — одна из главных загадок современной физики.
Оригинальная цитата: The Standard Model is currently the best explanation of the universe, but we know it cannot explain everything. Dark matter — one of the biggest mysteries in physics today.

Астрономические наблюдения показывают: видимая материя не может объяснить, как вращаются галактики. Учёные считают, что большую часть массы Вселенной составляет нечто невидимое — иное вещество, не входящее в Стандартную модель. Чтобы объяснить это, теоретики предполагают существование пятой фундаментальной силы.

Одна из гипотез — наличие новой частицы, передающей силу между нейтронами в ядре и электронами в атомной оболочке. По аналогии с тем, как фотоны переносят электромагнитное взаимодействие, эта гипотетическая частица может отвечать за до сих пор не зафиксированную, пятую силу природы.

Обычно для поиска новых частиц используют ускорители вроде ЦЕРН (CERN). Но команда профессора Джонатана Хоума (Jonathan Home) из Института квантовой электроники ETH Zurich выбрала другой путь — атомную спектроскопию, отметила Ауде Крайк.

Мы, как атомные физики, умеем измерять свойства атомов с невероятной точностью. Поэтому идея в том, чтобы искать новую силу через точные измерения связи между нейтроном и электроном.
Оригинальная цитата: As atomic physicists, we can measure the atom with extremely high precision. Therefore, the idea is to search for this new force between the neutron and the electron using precision atomic spectroscopy.

Команда из Цюриха объединилась с коллегами в Германии и Австралии. Для эксперимента они выбрали стабильные изотопы кальция: у всех 20 протонов, но разное число нейтронов — от 20 до 28. Изотопы химически идентичны, но имеют разную массу и, как следствие, могут по-разному реагировать на гипотетическую силу, объясняет аспирант Лука Хубер (Luca Huber).

Если такая сила есть, то она должна зависеть от количества нейтронов в ядре. Поэтому мы и выбрали изотопы.
Оригинальная цитата: If this force really exists in the atom, then its strength is proportional to the number of neutrons in the atomic nucleus.

Учёные измеряли свет, испускаемый ионами кальция при переходе между двумя энергетическими уровнями. Чтобы добиться нужной точности, они использовали ионную ловушку, удерживая в ней по два иона одновременно. Это снизило шум и позволило достичь точности 100 миллигерц — в сто раз лучше, чем в предыдущих опытах, отмечает Хубер.

Мы ловили сразу два изотопа и измеряли их одновременно.
Оригинальная цитата: We trapped two isotopes at the same time in the ion trap and measured them together.

Параллельно, группа Пита Шмидта (Piet Schmidt) из Федерального физико-технического института (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB) в Брауншвейге проводила эксперименты с теми же изотопами кальция, но в многократно заряженном состоянии. А команда Клауса Блаума (Klaus Blaum) из Института ядерной физики Общества Макса Планка (Max Planck Institute for Nuclear Physics) в Гейдельберге измеряла массу ядер этих изотопов с высокой точностью.

Чтобы интерпретировать результаты, ещё две группы из Германии и Австралии выполнили сложные расчёты. Они подтвердили: часть отклонений можно объяснить известными ядерными эффектами. Но не всё. Существует малоизученное явление — ядерная поляризация: деформация ядра под действием электронов. Именно оно, возможно, даёт ту самую нелинейность, которую измерили, отмечает Ауде Крайк.

Мы не утверждаем, что обнаружили новую физику. Но если бы такая сила существовала и была сильнее, мы бы точно её зафиксировали. Даже с учётом погрешностей.
Оригинальная цитата: We can’t say that we’ve discovered new physics here. However, we know how strong the new force can be at most because we would have seen it otherwise in our measurements, even with the uncertainties.

Исследователи смогли установить верхнюю границу для массы и заряда гипотетической частицы, которая могла бы передавать эту силу.

Сейчас команда в ETH Zurich работает над новым измерением — третьего перехода между энергетическими уровнями в изотопах кальция, объясняет Хубер.

Мы снова повышаем точность. Теперь добавим третью ось на график Кинга и сможем анализировать данные в 3D.
Оригинальная цитата: We are currently measuring a third energy transition in the calcium isotopes, and doing so with even greater precision than before.

Ауде Крайк, соавтор исследования, заключает:

Надеемся, это поможет нам преодолеть теоретические ограничения и продвинуться в поиске новой силы.
Оригинальная цитата: We hope that this will help us overcome the theoretical challenges and make further progress in the search for this new force.

^{Исследование: “Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties” by Alexander Wilzewski, Lukas J. Spieß, Malte Wehrheim, Shuying Chen, Steven A. King, Peter Micke, Melina Filzinger, Martin R. Steinel, Nils Huntemann, Erik Benkler, Piet O. Schmidt, Luca I. Huber, Jeremy Flannery, Roland Matt, Martin Stadler, Robin Oswald, Fabian Schmid, Daniel Kienzler, Jonathan Home, Diana P. L. Aude Craik, Menno Door, Sergey Eliseev, Pavel Filianin, Jost Herkenhoff, Kathrin Kromer, Klaus Blaum, Vladimir A. Yerokhin, Igor A. Valuev, Natalia S. Oreshkina, Chunhai Lyu, Sreya Banerjee, Christoph H. Keitel, Zoltán Harman, Julian C. Berengut, Anna Viatkina, Jan Gilles, Andrey Surzhykov, Michael K. Rosner, José R. Crespo López-Urrutia, Jan Richter, Agnese Mariotti and Elina Fuchs, 10 June 2025, Physical Review Letters.}

DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.233002