Bilinmeyen bir 'Beşinci Kuvvet' şaşırtıcı bir fizik gizemini açıklayabilir - bu araştırmacıların onu ortaya çıkarmak için cesur yeni bir planı var

Uzun bir teorileştirilmiş arayışa yeni bir yaklaşım doğanın beşinci gücü- bilim adamlarının kalmayı çözmesine yardımcı olabilecek biri gizemler dahil Standart model parçacık fiziği - İsviçre'deki fizikçiler tarafından gerçekleştirilmektedir.

Bu gizemler arasında, zor doğasını çözme arayışı karanlık maddeve devam eden arama Yeni Parçacıklar ve “Yeni Fizik”Soruşturmalarının merkezinde.

Her ne kadar parçacık hızlandırıcılar böyle bir avdaki yükü yönlendirmiş olsa da gizemli parçacıklar Standart modelin ötesinde, Eth Zürih'teki araştırma ekibi, aramalarına yardımcı olmak için farklı bir araç kullandı: hassas atom spektroskopisi.

Kalsiyum izotopları arasındaki enerji seviyelerindeki çok ince kaymaları analiz etmek, umarlar ki, daha önce keşfedilmemiş bir parçacığın taşıyabileceği nötronlar ve elektronlar arasında hareket etme teorik olmayan henüz bilinmeyen bir kuvvetten gelen imzaları tespit etmelerine yardımcı olabilirler.

Sınırları standart modelde zorlamak

Parçacık fiziğinin standart modeline dayanarak, bilim adamları etrafımızdaki konuyu ve hatta kendimizi oluşturan yapı taşlarını çok kesin olarak tanımlayabilirler. Ayrıca, bu temel parçacıklar arasında hareket eden temel kuvvetlerin davranışı açısından bir yol haritası sunar.

Hala, sınırlamaları varEth Zürih Fizik profesörü Diana Craik Çok iyi biliyor.

“Standart model şu anda evrenin en iyi açıklamasıdır, ancak her şeyi açıklayamayacağını biliyoruz” diyor Craik. Örneğin, karanlık maddenin varlığı, evrenimizin incelenmesine geleneksel yaklaşımlar söz konusu olduğunda, galaksilerin ve diğer fenomenlerin dönüşünün tamamen görülebilen konuya dayanarak açıklanamayacağı astronomik gözlemlerden çıkarılabileceğinden, karşılaşması gibi fizikçileri sergilemektedir.

Bu nedenle, Craik gibi fizikçiler uzun zamandır bilinmeyen bir madde biçiminin oyunda olması gerektiğine inanıyorlardı, bu da mevcut standart modelin ötesine uzanan bir teori gerektirecek bir gerçeklik.

Beşinci Kuvvet Arama

Neyse ki, mevcut temel güçlerinin yanı sıra yeni, beşinci bir doğanın varlığını öngören birkaç umut verici teori var. yer çekimielektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler. Keşfedilmemiş bir beşinci kuvvete işaret edebilecek bir cezbedici ipucu, atom çekirdeğindeki nötronların ve atomların kabuğunda bulunan elektronların gözlemlerine dayanmaktadır. Araştırmacılar, keşfedilmemiş bir parçacığın taşıyabileceği bu atom altı davranışlarını yöneten bir güç olabileceğine inanıyorlar.

Standart modelin ötesinde yeni parçacıkları keşfetme çabaları, genellikle ünlü gibi parçacık hızlandırıcıları içeriyordu. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) İsviçre'nin Cenevre kentinde CERN'de faaliyet gösterdi. Bu, yeni fizik keşiflerine yol açabilecek tek yaklaşım olduğu anlamına gelmez.

ETH Kuantum Elektronik Enstitüsü'nde Profesör Jonathan Home tarafından yönetilen bir araştırma grubuna sahip bir fizikçi olan Craik, “Atom fizikçileri olarak atomu son derece yüksek hassasiyetle ölçebiliriz” diyor.

Craik ve meslektaşları gibi fizikçiler için, “fikir, nötron ve elektron arasındaki bu yeni kuvveti hassas atomik spektroskopi kullanarak aramaktır.”

Araştırma ekibinin bir parçası olan doktora öğrencisi Luca Huber, “Bu kuvvet atomda gerçekten mevcutsa, gücü atom çekirdeğindeki nötron sayısıyla orantılıdır” dedi. “Bu yüzden bu varsayımsal gücü tespit etmek için izotopları deniyoruz.”

İzotoplar ve iyon tuzakları

Atomik çekirdeklerindeki nötron sayısı açısından farklılık gösteren aynı tipte atomlar, aynı sayıda proton ve elektrona sahip olabilen izotoplar olarak bilinir, yani farklı kitlelere sahipken kimyasal olarak aynıdır.

Bu nedenle, elektronların birleşik kuvveti, nötron sayısındaki varyanslar nedeniyle aynı atomik tipteki farklı izotoplarda biraz değişir. Bu, ETH Zürih'teki ev ekibinde olanlar gibi araştırmacılara, atomlar içindeki elektronların hareketinden kaynaklanan enerji imzaları ölçülebilir olduğundan, bu tür fenomenleri potansiyel olarak keşfetmenin yeni bir yolu sunar.

Teorik olarak, farklı izotoplar arasında üretilen enerji imzalarında küçük değişiklikler fark edilebilir olmalıdır, bu da muhtemelen evin ekibinin keşfetmeyi hedeflediği bilinmeyen beşinci kuvvetten kaynaklanacaktır.

Craik, ekibin, izotoplar enerji seviyeleri arasında geçişlerden geçtikçe üretilen ışık frekanslarının ölçümlerini alarak bu şüpheli enerjik değişiklikleri ortaya çıkarmayı planladığını söyledi. Bunu başarmak, bir lazer kullanan daha yüksek enerji durumlarına heyecanlı iken, tek bir yüklü izotopu pozisyonda tutmak için bir elektromanyetik alanın kullanıldığı bir “iyon tuzağı” gerektirir.

Araştırmalarında Zürih ekibi, 20 proton içeren ancak çeşitli sayıda nötron içeren beş kararlı, tek şarjlı kalsiyum izotopunu seçti. Laboratuar deneyleri sırasında, bu izotoplardan enerji seviyelerindeki değişimleri 100 milihertz doğruluğuna kadar başarıyla ayırt ettiler, bu tür fenomenlerden geçmiş ölçümlerden yaklaşık 100 kat daha fazla hassasiyet.

Bunu başarmak için ekip, bir değil, iyon tuzağında bir çift izotopu yakalayarak yeni bir yaklaşım benimsedi, ölçümleri aynı anda topladı ve bu tür ölçümler sırasında normalde meydana gelen paraziti sınırladı.

Daha fazla hassasiyet atomik spektroskopisi

Ölçümlerinin benzeri görülmemiş bir hassasiyeti bile, Zürih ekibinin çok yüklü bir durumda kullanılan tek yüklerle kalsiyum izotoplarını incelemeye başladığı başka deneyler gerektiriyordu. Ekibin Almanya'daki ortak çalışanları ve Heidelberg'deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü'nde, bu izotoplar arasında çekirdek kitlelerinin oran ölçümlerini gerçekleştirerek ekibin verilerinin hassasiyetini daha da artırarak katkıda bulundu.

Bu ölçümleri takiben, ekibin yüksek hassasiyetli ölçümlerinde gözlemlediği sapmaların ancak kısmen tanınmış nükleer etkilerle açıklanabileceğini belirleyen Almanya ve Avustralya'da ek çalışma yapıldı. Başka bir deyişle, burada daha çok bir şey iş başında görünüyor.

Ekibin düşündüğü ek bir faktör, atomik çekirdeklerin elektronların neden olduğu deformasyona uğradığı az anlaşılmış bir fenomeni içeren nükleer polarizasyonu içerir. Alman ve Avustralya ekiplerinin hesaplamaları, nükleer polarizasyonun potansiyel olarak standart modelin mevcut çerçevesinde de olsa ölçümleri açıklayabileceğini gösterdi.

“Burada yeni fizik keşfettiğimizi söyleyemeyiz,” bir açıklamada dedi. “Bununla birlikte, yeni gücün en fazla ne kadar güçlü olabileceğini biliyoruz çünkü bunu belirsizliklerle bile ölçümlerimizde görecektik”.

Doğanın beşinci kuvveti için devam eden arama

İleride, ekip şimdi varsayımsal bir parçacık ile ilişkili kütle ve yük değerlerinin belirlenip belirlenemeyeceğini incelemeye devam etmeyi umuyor, böylece ilişkili yeni gücünün varlığı için gerekli değerleri belirlemelerine yardımcı oluyor.

“Şu anda kalsiyum izotoplarında üçüncü bir enerji geçişini ölçüyoruz,” dedi Huber, ekibin deneylerinden, kendisinin ve meslektaşlarının, geçmiş çalışmalarından daha fazla hassas ölçüm elde etmeyi amaçladıklarını da sözlerine ekledi.

“Bunun teorik zorlukların üstesinden gelmemize yardımcı olacağını umuyoruz,” diye ekledi Craik, “ve bu yeni güç arayışında daha fazla ilerleme kaydetti.”

Takımın çığır açan çalışması son zamanlarda ayrıntılı Yeni bir makalede“Doğrusal Olmayan Kalsiyum King Planı Yeni Bozonları ve Nükleer Özellikleri Kısıtlıyor” Fiziksel İnceleme Mektupları 10 Haziran 2025'te ve özellik Barbara Vonarburg tarafından Eth Zürih'in sitesinde.

Micah Hanks, Debey'in genel yayın yönetmeni ve kurucu ortağıdır. E -posta ile ulaşılabilir [email protected]. Çalışmasını takip et micahhanks.com Ve X'te: @Micahhanks.