Un estudio refuerza las restricciones basadas en el argumento del rey en una posible quinta fuerza hipotética.

23 de junio de 2025 reportaje

por Ingrid Fadelli, Phys.org

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editado por Sadie Harley, revisado por Robert Egan

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Mientras que el Modelo Estándar (SM) describe todas las partículas fundamentales conocidas y muchas de las interacciones entre ellas, falla al explicar la materia oscura, la energía oscura y la aparente asimetría entre la materia y la antimateria en el universo. En las últimas décadas, los físicos han introducido diversos marcos y métodos para estudiar la física más allá del SM, uno de los cuales es conocido como el gráfico de King.

El gráfico de King es una técnica gráfica utilizada para analizar los desplazamientos en el isótopo, variaciones en los niveles de energía de diferentes isótopos (por ejemplo, átomos del mismo elemento que contienen un número diferente de neutrones). Esta herramienta gráfica ha demostrado ser prometedora para separar los efectos explicados por el SM de las señales vinculadas a la nueva física.

Investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Max Planck Institute for Nuclear Physics y ETH Zurich recientemente recopilaron nuevas mediciones que fortalecieron las restricciones basadas en el gráfico de King sobre las propiedades de una partícula hipotética que aún no ha sido observada, conocida como bosón de tipo Yukawa.

Su artículo, publicado en Physical Review Letters, resalta aún más el potencial de la espectroscopía del desplazamiento de isótopos y la técnica del gráfico de King para probar teorías de física de partículas y buscar física fuera del SM.

"En 2015, mi grupo realizó mediciones de desplazamiento de isótopos en amplias transiciones permitidas por dipolos en Ca+ con una incertidumbre de 100 kHz utilizando una técnica nueva (la espectroscopía del retroceso de fotones) que habíamos desarrollado previamente", le dijo Piet O. Schmidt, autor principal del estudio, a Phys.org.

"Un par de años después, estos datos fueron utilizados por una colaboración en el Instituto Weizmann en Israel para establecer límites sobre una hipotética quinta fuerza. Estaba claro que los límites podían mejorarse significativamente utilizando transiciones estrechas en isótopos de calcio, en particular cuando se combinan transiciones de diferentes estados de carga."

"José Crespo y su grupo realizaron las primeras mediciones en-EBIT en Ca14+ y determinaron la sensibilidad a la nueva física que ayudó a mi grupo a encontrar las transiciones utilizando la espectroscopía lógica cuántica y medir el desplazamiento de isótopos hasta el nivel de 100 mHz."

En 2023, alrededor del mismo tiempo en que Crespo y su equipo de investigación realizaron las primeras mediciones en Ca14+ dentro de una trampa de iones de haz de electrones, Schmidt y sus colegas se enteraron de los esfuerzos de otro equipo liderado por Diana Aude Craik, que involucraba a investigadores del grupo de Jonathan Home en ETH.

Craik estaba volviendo a medir los desplazamientos de isótopos de la transición de reloj Ca+ (es decir, realizando mediciones más precisas de este desplazamiento en cinco isótopos, en una transición óptica específica típicamente utilizada para desarrollar relojes atómicos ópticos).

"Al co-atrapar pares de isótopos, realizamos una medición diferencial directa del desplazamiento de isótopos, eliminando las principales fuentes de ruido experimental que afectan a ambos iones, para mejorar la precisión de la medición en dos órdenes de magnitud", explicó Luca Huber, un estudiante de posgrado en ETH que es uno de los co-autores principales del estudio.

"Esta fue la primera vez que se observó una no linealidad en un gráfico de King de calcio", agregó Craik.

"Los gráficos de King ya se habían realizado en calcio incluso hasta una precisión de aproximadamente 10 Hz. Nuestro grupo en ETH mejoró la precisión de la transición en Ca+ a 100 mHz, y el grupo de Piet logró una precisión similar en Ca14+. Esto, combinado con la mejora de Klaus Blaum en la precisión de las relaciones de masa nuclear, nos permitió crear un gráfico de King sub-Hz, que finalmente reveló la no linealidad."

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En un artículo anterior publicado en 2017, Fuchs utilizó la espectroscopía de desplazamiento de isótopos para establecer límites sobre una hipotética quinta fuerza (es decir, una nueva interacción fundamental entre partículas que aún no se conoce).

Como parte de su estudio reciente, Schmidt y Fuchs establecieron una nueva colaboración que involucra a Craik y a varios otros expertos en diversas áreas de la física, incluyendo espectroscopia óptica de precisión y espectrometría de masas, teoría de la estructura atómica y nuclear y física de alta energía, con el objetivo de seguir ajustando restricciones sobre esta quinta fuerza hipotética.

'Pedimos a Craik que se uniera a nuestra colaboración y ya habíamos contactado a Klaus Blaum sobre una mejora en la medición de las masas nucleares, ya que sabíamos que de lo contrario estaríamos limitados por su incertidumbre,' dijo Schmidt.

'Elina Fuchs de la Universidad Leibniz en Hannover estaba liderando la interpretación de los datos en forma de un gráfico de exclusión y coordinaba el consorcio, que se complementaba con otros colegas teóricos que trabajaban en cálculos de estructura atómica y nuclear de efectos del modelo estándar de orden superior.'

Como parte de su nueva colaboración, Schmidt y sus colegas combinaron sus mediciones de desplazamientos isotópicos de las transiciones de reloj Ca+ y Ca14+. El desplazamiento isotópico de una transición depende de dos factores clave, a saber, diferencias en la distribución de carga nuclear y diferencias en la masa nuclear.

'La dependencia del cambio en el tamaño nuclear puede ser eliminada midiendo dos transiciones,' explicó Fuchs.

'Esto resulta en una dependencia lineal entre el desplazamiento isotópico normalizado por masa de las dos transiciones, llamado un gráfico de King. Una fuerza hipotética de quinta fuerza rompería esa linealidad, pero también lo harían las contribuciones del modelo estándar de orden superior. Hemos observado una no linealidad de más de 1000 desviaciones estándar.'

'Cálculos altamente precisos del desplazamiento de masa de segundo orden nos permitieron restar su contribución. Las estimaciones teóricas indican que la gran no linealidad restante podría ser causada por la polarizabilidad nuclear, que actualmente no se puede calcular con alta precisión.'

Las nuevas mediciones realizadas por la colaboración podrían ayudar a mejorar los modelos nucleares de un efecto conocido como polarizabilidad nuclear, que implica la distorsión de un núcleo atómico por campos electromagnéticos. Además, los investigadores pudieron agregar una tercera transición al gráfico de King que había sido medida previamente por diferentes grupos de investigación con una precisión de 6 a 20 Hz. Esto redujo el espacio de parámetros para las interacciones de tipo Yukawa, que podrían ser una hipotética quinta fuerza.

'Al agregar una tercera transición al gráfico de King, pudimos eliminar más contribuciones del modelo estándar y obtener el límite más estricto basado en el gráfico de King sobre la existencia de una quinta fuerza que acopla neutrones a electrones,' dijo Fuchs.

'Nuestro estudio ha arrojado luz sobre la importancia de la polarizabilidad nuclear como una contribución significativa a las mediciones de desplazamiento isotópico de alta precisión.'

Los investigadores esperan que su estudio inspire nuevos estudios de física nuclear centrados en la polarizabilidad nuclear, lo que podría enriquecer aún más la comprensión actual de la física nuclear. Mientras tanto, planean realizar mediciones de espectroscopía cada vez más precisas que podrían establecer restricciones aún más estrictas basadas en el gráfico de King sobre una posible quinta fuerza más allá del Modelo Estándar.

Craik y sus colegas en ETH están midiendo actualmente la tercera transición incluida en el análisis con mayor precisión, apuntando a una precisión de 10 mHz. Esta medición podría allanar el camino para búsquedas aún más específicas de interacciones más allá del Modelo Estándar.

'Esta medición nos ayudará a determinar si la contribución de la polarizabilidad nuclear puede ser 'eliminada' al hacer un gráfico de King de mayor dimensionalidad con más transiciones,' dijo Craik.

'Si descubrimos que esta contribución puede ser eliminada solo por experimento, los desafíos de calcular este efecto nuclear ya no nos impedirían impulsar la sensibilidad de la espectroscopía de desplazamiento isotópico hacia nuevas áreas no exploradas.'

Escrito para usted por nuestra autora Ingrid Fadelli, editado por Sadie Harley , y verificado y revisado por Robert Egan —este artículo es el resultado de un cuidadoso trabajo humano. Dependemos de lectores como usted para mantener viva la periodismo científico independiente. Si esta información es importante para usted, por favor considere hacer una donación (especialmente mensual). Obtendrá una cuenta sin anuncios como agradecimiento.

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

Información de la revista: Physical Review Letters

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