Науковці з ETH Zurich довели існування п’ятої фундаментальної сили природи

Вчені з ETH Zurich разом із колегами з Німеччини й Австралії провели одні з найточніших експериментів у світі з іонізованими ізотопами кальцію, шукаючи сліди невідомої частинки, яка може бути ключем до пояснення темної матерії й нової, «п'ятої» фундаментальної сили природи. Ця робота дозволяє не лише звузити пошуки поза межами Стандартної моделі фізики, а й вдосконалити розуміння структури атомів.

Поява темної матерії та аномалії у поведінці галактик давно змусили вчених шукати нові частинки чи сили, яких не описує сучасна фізика. Одна з теорій припускає існування слабкої, ще не відкритої взаємодії між нейтронами ядра й електронами оболонки атома — її міг би переносити гіпотетичний «новий бозон».

Для перевірки цієї гіпотези команда ETH застосувала іонну пастку: в ній одночасно утримували по два ізотопи кальцію, які різняться лише кількістю нейтронів. Надточні лазерні вимірювання частот переходів електронів між енергетичними рівнями дозволили фіксувати мінімальні зсуви у спектрі, які могли б свідчити про існування нової сили. Вимірювання досягли точності 100 мГц — у 100 разів точніше за попередні експерименти.

Для коректності результатів досліди повторювали з багатозарядними іонами у ФРН та вимірювали співвідношення мас ізотопів у Гейдельберзі. Аналіз показав: частина аномалій у спектрах цілком пояснюється вже відомими ядерними ефектами й поляризацією ядра, але ще лишаються невеликі «вікна», де могла б ховатися нова фізика.

Дослідники не виявили прямої ознаки п’ятої сили, але встановили найжорсткіші на сьогодні обмеження на її можливу силу й параметри. Це звужує поле для майбутніх пошуків. Команда вже працює над ще точнішими вимірами та новим тривимірним аналізом (King plot), який допоможе відсіяти ефекти стандартної моделі й підвищити шанс знайти ознаки «нової» матерії.