Дослідники зі Швейцарського федерального технологічного інституту (ETH Zurich) у співпраці з колегами з Німеччини та Австралії здійснили надзвичайно точні вимірювання за допомогою іонів кальцію — і результати цих експериментів можуть натякати на існування явищ, які виходять за межі сучасної фізики. Хоча вчені поки не оголошують про відкриття нових фізичних законів, їхня робота вже зараз ставить під сумнів абсолютну повноту Стандартної моделі і встановлює нові обмеження для альтернативних теорій.
Стандартна модель — це фундаментальна теоретична база, яка описує елементарні частинки та сили, що між ними діють. Втім, вона не охоплює всі аспекти реальності, зокрема темну матерію, що становить більшість маси Всесвіту. Деякі теоретичні моделі припускають існування п’ятої фундаментальної взаємодії, яка може діяти між електронами та нейтронами через поки невідому частинку — гіпотетичний бозон. Щоб перевірити цю ідею, вчені ETH дослідили тонкі зміни в енергетичних переходах іонів кальцію, відомі як ізотопні зсуви.
Команда зосередилась на двох конкретних переходах: ³P₀ → ³P₁ у Ca¹⁴⁺ та ²S₁/₂ → ²D₅/₂ у Ca⁺, які вони виміряли для п’яти стабільних ізотопів кальцію. Всі вони мають 20 протонів, але різну кількість нейтронів. За допомогою йонної пастки дослідники одночасно утримували два різні ізотопи і вимірювали їх разом. Це дозволило нейтралізувати шум і досягти вражаючої точності — до 100 мілігерц. Паралельно інші групи дослідників забезпечили точні вимірювання ядерних мас та переходів у сильно заряджених іонах кальцію, з похибкою менш ніж 4 × 10⁻¹¹.
Усі ці дані були об’єднані у так званий графік Кінга (King plot). У разі, якщо фізика поводиться «нормально», тобто відповідно до відомих законів, точки на такому графіку мають формувати пряму лінію. Однак цього разу графік був помітно викривлений. Професорка фізики ETH Цюриха Діана Прадо Лопес Ауде Крейк пояснила, що така невідповідність має значення, оскільки вказує на ефекти, не передбачені звичними ядерними моделями.
Команда провела глибокий аналіз, щоб визначити, чи може це викривлення пояснити якийсь із відомих чинників. Основний кандидат зі Стандартної моделі — другорядний масовий зсув — виявився занадто слабким, щоб спричинити помічену аномалію. Єдиною відомою фізичною величиною, яка потенційно могла б пояснити таку поведінку, лишається явище ядерної поляризації — слабке спотворення ядра під дією електронного оточення. Це явище ще недостатньо вивчене, однак воно може виявитись ключем до пояснення незвичайних результатів.
Попри те, що ці експерименти не підтверджують існування нової сили, вони значно звужують можливості для моделей, що передбачають таку взаємодію. Зокрема, дослідники змогли встановити нові обмеження для гіпотетичної юкавівської взаємодії, звузивши можливий діапазон мас бозона до меж від 10 еВ/с² до 10⁷ еВ/с².
Науковці вже готуються до наступного етапу: дослідження ще одного переходу в атомі кальцію з ще вищою точністю. Вони сподіваються, що це допоможе остаточно розв’язати теоретичні суперечності та, можливо, відкрити нову фундаментальну силу природи.
Цей проєкт демонструє, як надточні методи — зокрема іонне захоплення та спектроскопія з надвисокою роздільною здатністю — можуть відкривати двері до нових фізичних реалій. Навіть на атомному рівні вимірювань ми дедалі ближче підходимо до розуміння найглибших механізмів, що керують Всесвітом.