В поисках ответов на фундаментальные вопросы Вселенной, которые остаются загадкой для современной физики, учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) применяют инновационный метод. Вместо гигантских ускорителей частиц они используют сверхточные измерения атомов, чтобы обнаружить признаки так называемой «пятой силы» природы. Эта гипотетическая сила могла бы пролить свет на природу тёмной материи и другие явления, выходящие за рамки общепринятой Стандартной модели физики элементарных частиц.
Почему Стандартной модели недостаточно?
Стандартная модель — это блестящее достижение науки, описывающее известные нам частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий (электромагнетизм, сильное и слабое ядерные силы). Однако, как объясняет профессор Диана Крейк, она не является полной теорией всего. Например, она не включает гравитацию и не может объяснить, из чего состоит тёмная материя, которая, как показывают наблюдения, составляет большую часть массы галактик. Именно эти пробелы и мотивируют учёных искать «новую физику».
Альтернативный путь: от ускорителей к атомам
Традиционный поиск новых частиц и сил связан с их прямым рождением в столкновениях на мощных установках, таких как Большой адронный коллайдер. Швейцарская команда пошла другим путём. Они ищут не саму частицу-переносчик новой силы, а её тончайшие проявления в поведении обычных атомов. Идея заключается в том, что если существует пятая сила, опосредованная неизвестной частицей, она может создавать дополнительное, пусть и крайне слабое, взаимодействие между нейтронами в ядре и электронами на орбитах.
«Как физики-атомщики, мы можем измерять атомы с невероятной точностью», — говорит профессор Крейк. Эту точность и используют исследователи, анализируя мельчайшие сдвиги в энергетических уровнях электронов.
Ключ к разгадке — изотопы кальция
Чтобы выявить влияние новой силы, команда сфокусировалась на изотопах одного элемента — кальция. Изотопы имеют одинаковое число протонов (а значит, и одинаковые химические свойства), но разное количество нейтронов в ядре. Если пятая сила, связывающая нейтроны и электроны, реальна, её эффект должен немного отличаться для каждого изотопа.
Учёные помещали ионы различных изотопов кальция в специальные электромагнитные ловушки, где те удерживались в почти идеальной изоляции. Затем атомы возбуждались лазерами, и с беспрецедентной точностью — до 100 миллигерц — измерялась разница в их энергетических переходах. Для минимизации погрешностей в ловушку одновременно помещались два разных изотопа.
Обратите внимание: Астрономы обнаружили необычный пульсар.
Интригующие результаты и планы на будущее
Проведённые измерения, включая эксперименты с коллегами из Германии и Австралии, выявили небольшие, но стабильные отклонения. Часть этих отклонений можно объяснить известными ядерными эффектами, однако для полного объяснения данных, возможно, требуется учёт новых факторов. Одним из таких факторов может быть ядерная поляризация — деформация ядра под влиянием окружающих его электронов, что само по себе является сложным квантовым явлением.
«Мы не заявляем об открытии новой физики, — осторожно отмечает Крейк, — но мы смогли установить новые, гораздо более строгие ограничения на возможную силу гипотетического взаимодействия. Если бы оно было сильнее определённого порога, мы бы его уже однозначно увидели».
Следующим шагом команды будет изучение другого, третьего энергетического перехода в атомах кальция. Это позволит провести ещё более точные измерения и, возможно, окончательно отделить известные ядерные эффекты от потенциальных следов новой фундаментальной силы.
Результаты этого новаторского исследования были опубликованы в авторитетном журнале Physical Review Letters.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.