Studie verschärft die von King auf hypothetischen fünften Kraft basierenden Beschränkungen

23. Juni 2025 Feature

von Ingrid Fadelli, Phys.org

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redigiert von Sadie Harley, reviewed by Robert Egan

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Obwohl das Standardmodell (SM) alle bekannten fundamentalen Partikel und viele ihrer Wechselwirkungen beschreibt, versagt es beim Erklären von Dunkler Materie, Dunkler Energie und der scheinbaren Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum. In den letzten Jahrzehnten haben Physiker daher verschiedene Rahmenbedingungen und Methoden eingeführt, um die Physik jenseits des SM zu untersuchen, eine davon ist bekannt als das King-Diagramm.

Das King-Diagramm ist eine grafische Technik, die verwendet wird, um Isotopenverschiebungen zu analysieren, also Variationen in den Energielevels unterschiedlicher Isotope (z.B. Atome derselben Elemente, die eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen enthalten). Dieses grafische Werkzeug hat sich als vielversprechend erwiesen, um Effekte zu trennen, die vom SM erklärt werden, von Signalen, die mit neuer Physik verbunden sind.

Forscher des Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Max-Planck-Instituts für Kernphysik und der ETH Zürich haben kürzlich neue Messungen gesammelt, die die king-Diagramm-basierten Einschränkungen hinsichtlich der Eigenschaften eines hypothetischen Teilchens, das bisher nicht beobachtet wurde, bekannt als ein Yukawa-Typ-Boson, verschärften.

Ihre Arbeit, veröffentlicht in Physical Review Letters, unterstreicht weiterhin das Potential der Isotopenverschiebespektroskopie und der King-Diagramm-Technik für die Prüfung von Teilchenphysiktheorien und die Suche nach Physik außerhalb des SM.

"Zurück im Jahr 2015 führte meine Gruppe Isotopenverschiebungsmessungen an breiten, dipolzugelassenen Übergängen in Ca+ mit einer Unsicherheit von 100 kHz durch, was eine neue Technik (Photonenrückstoßspektroskopie) ist, die wir früher entwickelt hatten", sagte Piet O. Schmidt, der Hauptautor der Arbeit, gegenüber Phys.org.

"Ein paar Jahre später wurde diese Daten von einer Zusammenarbeit am Weizmann-Institut in Israel genutzt, um Grenzen für eine hypothetische fünfte Kraft zu setzen. Es war klar, dass die Grenzen erheblich verbessert werden konnten durch schmale Übergänge in Calciumisotopen, insbesondere wenn Übergänge aus verschiedenen Ladungszuständen kombiniert werden.

"José Crespo und seine Gruppe führten die ersten in-EBIT-Messungen an Ca14+ durch und bestimmten die Empfindlichkeit gegenüber neuer Physik, die meiner Gruppe half, die Übergänge mithilfe von Quantenlogik-Spektroskopie zu finden und die Isotopenverschiebung bis auf die Ebene von 100 mHz zu messen."

Im Jahr 2023, etwa zur selben Zeit, als Crespo und sein Forschungsteam die ersten Messungen von Ca14+ innerhalb einer Elektronenstrahlionenfalle durchführten, erfuhren Schmidt und seine Kollegen von den Bemühungen eines anderen Teams unter der Leitung von Diana Aude Craik, das Forscher der Gruppe von Jonathan Home an der ETH umfasste.

Craik führte erneute Messungen der Isotopenverschiebungen des Ca+-Übergangs durch (d.h., genauere Messungen dieser Isotope in fünf Isotopen auf einem spezifischen optischen Übergang, der typischerweise zur Entwicklung optischer Atomuhren genutzt wird).

"Durch das gemeinsame Einsperren von Isotopenpaaren führten wir eine direkte, differentielle Messung der Isotopenverschiebung durch, um die Hauptquellen experimentellen Rauschens zu beseitigen, die beide Ionen beeinträchtigen, und die Messgenauigkeit um zwei Größenordnungen zu verbessern", erklärte Luca Huber, ein Doktorand an der ETH und einer der Co-Erstautoren der Studie.

"Dies war das erste Mal, dass eine Nichtlinearität in einem Calcium-King-Diagramm zu sehen war", fügte Craik hinzu.

"King-Diagramme wurden zuvor in Calcium sogar bis zu einer Messgenauigkeit von ungefähr 10 Hz hergestellt. Unsere Gruppe an der ETH verbesserte die Messgenauigkeit des Übergangs in Ca+ auf 100 mHz, und Piet's Gruppe erreichte eine ähnliche Genauigkeit in Ca14+. Dies, kombiniert mit der Verbesserung der Präzision der Kernmassenverhältnisse durch Klaus Blaum, ermöglichte es uns, ein sub-Hz King-Diagramm zu erstellen, das schließlich die Nichtlinearität offenbarte."

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In einer früheren Arbeit, veröffentlicht im Jahr 2017, verwendete Fuchs die Isotopenverschiebungsspektroskopie, um Grenzen für eine hypothetische fünfte Kraft (d.h. eine neue fundamentale Wechselwirkung zwischen Teilchen, die noch nicht bekannt ist) festzulegen.

Im Rahmen ihrer aktuellen Studie haben Schmidt und Fuchs eine neue Zusammenarbeit mit Craik und verschiedenen anderen Experten in verschiedenen Bereichen der Physik etabliert, darunter Präzisionsoptische Spektroskopie und Massenspektrometrie, Atom- und Kernstrukturtheorie und Hochenergiephysik, mit dem Ziel, die Grenzen dieser fünften hypothetischen Kraft weiter zu verschärfen.

'Wir haben Craik gebeten, sich unserer Zusammenarbeit anzuschließen und hatten bereits Klaus Blaum kontaktiert, um eine verbesserte Messung der Kernmassen durchzuführen, da wir wussten, dass wir sonst durch ihre Unsicherheit eingeschränkt wären,' sagte Schmidt.

'Elina Fuchs von der Leibniz Universität in Hannover führte die Interpretation der Daten in Form eines Ausschlussdiagramms an und koordinierte das Konsortium, das durch andere Theoriekollegen ergänzt wurde, die an atomaren und nuklearen Struktur berechnungen von Effekten höherer Ordnung des Standardmodells arbeiteten.'

Im Rahmen ihrer neuen Zusammenarbeit kombinierten Schmidt und seine Kollegen ihre Messungen der Isotopenverschiebungen der Ca+ und Ca14+ Uhrübergänge. Die Isotopenverschiebung eines Übergangs hängt von zwei wichtigen Faktoren ab, nämlich Unterschieden in der Verteilung der Kernladung und Unterschieden in der Kernmasse.

'Die Abhängigkeit von der Änderung der Kerngröße kann durch Messung von zwei Übergängen eliminiert werden,' erklärte Fuchs.

'Dies führt zu einer linearen Abhängigkeit zwischen der massennormalisierten Isotopenverschiebung der beiden Übergänge, die als King-Diagramm bezeichnet wird. Eine hypothetische fünfte Kraft würde diese Linearität brechen, aber auch Effekte höherer Ordnung des Standardmodells. Wir haben eine Nichtlinearität von mehr als 1000 Standardabweichungen beobachtet.

'Hochpräzise Berechnungen der Massenverschiebung zweiter Ordnung ermöglichten es uns, ihren Beitrag abzuziehen. Theoretische Schätzungen deuten darauf hin, dass die große verbleibende Nichtlinearität durch Kernpolarisierbarkeit verursacht werden könnte, die derzeit nicht mit hoher Genauigkeit berechnet werden kann.'

Die neuen Messungen des Konsortiums könnten dazu beitragen, nukleare Modelle eines Effekts namens Kernpolarisierbarkeit zu verbessern, der die Verzerrung eines Atomkerns durch elektromagnetische Felder beinhaltet. Darüber hinaus konnten die Forscher einen dritten Übergang zum King-Diagramm hinzufügen, der zuvor von verschiedenen Forschungsgruppen mit einer Präzision von 6 bis 20 Hz gemessen worden war. Dies verengte den Parameterbereich für Yukawa-Typ-Wechselwirkungen, die eine hypothetische fünfte Kraft sein könnten.

'Durch Hinzufügen eines dritten Übergangs zum King-Diagramm konnten wir weitere Beiträge des Standardmodells entfernen und die strengste King-Plot-basierte Begrenzung auf die Existenz einer fünften Kraft erzielen, die Neutronen an Elektronen koppelt,' sagte Fuchs.

'Unsere Studie hat die Bedeutung der Kernpolarisierbarkeit als wesentlichen Beitrag zu hochgenauen Isotopenverschiebungsmessungen beleuchtet.'

Die Forscher hoffen, dass ihre Studie neue nukleare Physikstudien anregen wird, die sich auf die Kernpolarisierbarkeit konzentrieren, um das gegenwärtige Verständnis der Kernphysik weiter zu bereichern. In der Zwischenzeit planen sie, immer präzisere Spektroskopiemessungen durchzuführen, die noch strengere King-Plot-basierte Einschränkungen für eine mögliche fünfte Kraft jenseits des Standardmodells setzen könnten.

Craik und ihre Kollegen an der ETH messen jetzt den in der Analyse enthaltenen dritten Übergang mit höherer Genauigkeit und zielen auf eine Präzision von 10 mHz ab. Diese Messung könnte den Weg für noch gezieltere Untersuchungen von Wechselwirkungen über das Standardmodell hinaus ebnen.

'Diese Messung wird uns helfen zu bestimmen, ob der Beitrag der Kernpolarisierbarkeit 'herausgefiltert' werden kann, indem wir ein höherdimensionales King-Diagramm mit mehr Übergängen erstellen,' sagte Craik.

'Wenn wir feststellen, dass dieser Beitrag allein durch Experimente eliminiert werden kann, würden die Herausforderungen bei der Berechnung dieses nuklearen Effekts uns nicht mehr davon abhalten, die Empfindlichkeit von Isotopenverschiebungsspektroskopie für neue Physik in unerforschte Bereiche zu bringen.'

Geschrieben für Sie von unserer Autorin Ingrid Fadelli, bearbeitet von Sadie Harley und überprüft von Robert Egan —dieser Artikel ist das Ergebnis sorgfältiger menschlicher Arbeit. Wir sind auf Leser wie Sie angewiesen, um den unabhängigen Wissenschaftsjournalismus am Leben zu halten. Wenn Ihnen dieser Bericht wichtig ist, erwägen Sie bitte eine Spende (besonders monatlich). Als Dank erhalten Sie ein werbefreies Konto.

Weitere Informationen: Alexander Wilzewski et al, Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.233002.

Journalinformationen: Physical Review Letters

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