Studio stringe le restrizioni basate sul complotto di King su una possibile quinta forza ipotetica.

23 giugno 2025                                                           caratteristica

di Ingrid Fadelli, Phys.org

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modificato da                                                             Sadie Harley,      revisione di Robert Egan

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Anche se il Modello Standard (SM) descrive tutte le particelle fondamentali conosciute e molte delle interazioni tra esse, non riesce a spiegare la materia oscura, l'energia oscura e l'apparente asimmetria tra materia e antimateria nell'universo. Negli ultimi decenni, i fisici hanno introdotto vari quadri e metodi per studiare la fisica al di là del modello standard, uno dei quali è noto come il King plot.

Il King plot è una tecnica grafica utilizzata per analizzare gli spostamenti isotopici, le variazioni dei livelli energetici di diversi isotopi (ad esempio, atomi dello stesso elemento che contengono un numero diverso di neutroni). Questo strumento grafico si è dimostrato promettente nel separare gli effetti spiegati dal SM dai segnali legati a nuove scoperte fisiche.

Ricercatori presso Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Max Planck Institute for Nuclear Physics e ETH Zurigo hanno recentemente raccolto nuove misurazioni che hanno ristretto i vincoli basati sul King plot sulle proprietà di una particella ipotetica non ancora osservata, nota come bosone di Yukawa.

Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, evidenzia ulteriormente il potenziale della spettroscopia degli spostamenti isotopici e della tecnica del King plot per testare le teorie della fisica delle particelle e cercare la fisica al di fuori del modello standard.

"Tornando al 2015, il mio gruppo ha effettuato misurazioni degli spostamenti isotopici su transizioni larghe, consentite dalla dipolo, in Ca+ con incertezza di 100 kHz utilizzando una nuova tecnica (spettroscopia del rinculo del fotone) che avevamo sviluppato in precedenza", ha detto Piet O. Schmidt, autore principale dello studio, a Phys.org.

"Pochi anni dopo, questi dati sono stati utilizzati da una collaborazione presso l'Istituto Weizmann in Israele per porre dei limiti a una forza ipotetica. Era chiaro che i limiti potevano essere significativamente migliorati utilizzando transizioni strette negli isotopi del calcio, in particolare quando si combinano transizioni da diversi stati di carica.

"José Crespo e il suo gruppo hanno eseguito le prime misurazioni in-EBIT su Ca14+ e hanno determinato la sensibilità alla nuova fisica che ha aiutato il mio gruppo a trovare le transizioni utilizzando la spettroscopia di logica quantistica e misurare lo spostamento isotopico fino al livello di 100 mHz."

Nel 2023, circa nello stesso periodo in cui Crespo e il suo team di ricerca hanno effettuato le prime misurazioni di Ca14+ all'interno di una trappola a onde ioniche, Schmidt e i suoi colleghi hanno appreso degli sforzi di un altro team guidato da Diana Aude Craik, coinvolgente ricercatori nel gruppo di Jonathan Home all'ETH.

Craik stava ri-misurando gli spostamenti isotopici della transizione a orologio Ca+ (cioè, eseguendo misurazioni più precise di questo spostamento isotopico in cinque isotopi, su una specifica transizione ottica tipicamente sfruttata per sviluppare orologi atomici ottici).

"Catturando coppie di isotopi, abbiamo eseguito una misurazione diretta e differenziale dello spostamento isotopico, eliminando le fonti principali di rumore sperimentale che influenzano entrambi gli ioni, per migliorare la precisione della misura di due ordini di grandezza", ha spiegato Luca Huber, uno studente universitario all'ETH e uno dei co-primi autori dello studio."

"E' stata la prima volta che è stata vista una non-linearità in un King plot del calcio", ha aggiunto Craik.

"I King plot erano stati precedentemente sviluppati nel calcio anche fino a una precisione di misura di circa 10 Hz. Il nostro gruppo all'ETH ha migliorato la precisione di misura della transizione in Ca+ a 100 mHz, e il gruppo di Piet ha ottenuto una precisione simile in Ca14+. Questo, unitamente al miglioramento della precisione dei rapporti di massa nucleare di Klaus Blaum, ci hanno permesso di fare un King plot sub-Hz, che ha rivelato finalmente la non linearità."

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In un precedente articolo pubblicato nel 2017, Fuchs ha utilizzato la spettroscopia degli spostamenti isotopici per stabilire dei limiti su una quinta forza ipotetica (ossia, una nuova interazione fondamentale tra le particelle non ancora conosciuta).

Nell'ambito del loro studio recente, Schmidt e Fuchs hanno stabilito una nuova collaborazione coinvolgendo Craik e vari altri esperti in diversi settori della fisica, tra cui spettroscopia ottica di precisione e spettrometria di massa, teoria della struttura atomica e nucleare e fisica delle alte energie, con l'obiettivo di stringere ulteriormente i vincoli su questa quinta forza ipotetica.

Abbiamo chiesto a Craik di unirsi alla nostra collaborazione e avevamo già contattato Klaus Blaum per un miglioramento della misura delle masse nucleari, poiché sapevamo che altrimenti saremmo stati limitati dalla loro incertezza,' ha detto Schmidt.

'Elina Fuchs dell'Università di Leibniz ad Hannover era alla guida dell'interpretazione dei dati sotto forma di un grafico di esclusione e ha coordinato il consorzio, che è stato integrato da altri colleghi teorici che lavoravano sui calcoli della struttura atomica e nucleare degli effetti del modello standard di ordine superiore.'

Come parte della loro nuova collaborazione, Schmidt e i suoi colleghi hanno combinato le misurazioni degli spostamenti isotopici delle transizioni orologio Ca+ e Ca14+. Lo spostamento isotopico di una transizione dipende da due fattori chiave, cioè differenze nella distribuzione della carica nucleare e differenze nella massa nucleare.

'La dipendenza dal cambiamento delle dimensioni del nucleo può essere eliminata misurando due transizioni,' ha spiegato Fuchs.

'Ciò porta a una dipendenza lineare tra lo spostamento isotopico normalizzato dalla massa delle due transizioni, chiamato grafico di King. Una forza ipotetica di quinta potrebbe rompere questa linearità, così come contributi del modello standard di ordine superiore. Abbiamo osservato una non linearità superiore a 1000 deviazioni standard.

'Calcoli altamente accurati dello spostamento di massa di secondo ordine ci hanno permesso di sottrarre il suo contributo. Le stime teoriche indicano che la grande non linearità rimanente potrebbe essere causata dalla polarizzabilità nucleare, che attualmente non può essere calcolata con alta precisione.'

Le nuove misurazioni effettuate dalla collaborazione potrebbero contribuire a migliorare i modelli nucleari di un effetto noto come polarizzabilità nucleare, che comporta la distorsione di un nucleo atomico da campi elettromagnetici. Inoltre, i ricercatori sono riusciti ad aggiungere una terza transizione al grafico di King che era stata precedentemente misurata da diversi gruppi di ricerca con una precisione di 6 a 20 Hz. Questo ha ridotto lo spazio dei parametri per interazioni di tipo Yukawa, che potrebbero rappresentare una forza ipotetica di quinta potenza.

'Aggiungendo una terza transizione al grafico di King, abbiamo potuto eliminare ulteriori contributi del modello standard e ottenere il più rigoroso vincolo basato sul grafico di King sull'esistenza di una quinta forza che accoppia neutroni a elettroni,' ha detto Fuchs.

'Il nostro studio ha gettato luce sull'importanza della polarizzabilità nucleare come un significativo contributo alle misurazioni ad alta precisione dello spostamento isotopico.'

I ricercatori sperano che il loro studio possa ispirare nuovi studi di fisica nucleare che si concentrino sulla polarizzabilità nucleare, il che potrebbe arricchire ulteriormente la comprensione attuale della fisica nucleare. Nel frattempo, hanno intenzione di effettuare misurazioni spettroscopiche sempre più precise che potrebbero imporre vincoli ancora più rigorosi basati sul grafico di King a un'eventuale quinta forza al di là del Modello Standard.

Craik e i suoi colleghi alla ETH stanno ora misurando la terza transizione inclusa nell'analisi con maggiore precisione, puntando a una precisione di 10 mHz. Questa misurazione potrebbe aprire la strada a ricerche ancora più mirate per interazioni al di là del Modello Standard.

'Questa misurazione ci aiuterà a determinare se il contributo della polarizzabilità nucleare può essere 'eliminato' realizzando un grafico di King di dimensioni superiori con più transizioni,' ha detto Craik.

'Se scopriamo che questo contributo può essere eliminato solo sperimentalmente, le sfide del calcolo di questo effetto nucleare non ci impedirebbero più di spingere la sensibilità alla nuova fisica della spettroscopia dello spostamento isotopico in uno spazio di fase inesplorato.'

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

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

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