Onderzoek scherpt de op koning-plot gebaseerde beperkingen aan op de hypothetische vijfde kracht.

23 juni 2025 feature

door Ingrid Fadelli, Phys.org

contribuerende schrijver

bewerkt door Sadie Harley, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

associate editor

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken beklemtoond terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

feiten gecontroleerd

peer-reviewed publicatie

vertrouwde bron

gecorrigeerd

De Standaard Model (SM) beschrijft alle bekende fundamentele deeltjes en veel van de interacties tussen hen, maar slaagt er niet in om donkere materie, donkere energie en de schijnbare asymmetrie tussen materie en antimaterie in het universum te verklaren. In de afgelopen decennia hebben natuurkundigen daarom verschillende kaders en methoden geïntroduceerd om de natuurkunde voorbij het SM te bestuderen, waarvan er een bekend staat als het King plot.

Het King plot is een grafische techniek die wordt gebruikt om isotoopverschuivingen te analyseren, variaties in de energieniveaus van verschillende isotopen (bijvoorbeeld atomen van hetzelfde element die een verschillend aantal neutronen bevatten). Deze grafische tool heeft zich veelbelovend getoond voor het scheiden van effecten die worden verklaard door het SM van signalen die verband houden met nieuwe natuurkunde.

Onderzoekers van Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Max Planck Institute for Nuclear Physics en ETH Zurich hebben onlangs nieuwe metingen verzameld die de op King plot gebaseerde beperkingen op de eigenschappen van een hypothetisch deeltje, dat nog niet is waargenomen en bekend staat als een Yukawa-type boson, hebben aangescherpt.

In hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters, benadrukken ze verder het potentieel van isotoopverschuivingspectroscopie en de King plot-techniek voor het testen van deeltjesfysica-theorieën en het zoeken naar natuurkunde buiten het SM.

'Terug in 2015 voerde mijn groep isotoopverschuivingsmetingen uit op brede, dipool-toegestane overgangen in Ca+ met een onzekerheid van 100 kHz met behulp van een nieuwe techniek (fotonterugsprongspectroscopie) die we eerder hadden ontwikkeld,' vertelde Piet O. Schmidt, hoofdauteur van de paper, aan Phys.org.

'Een paar jaar later werd deze data gebruikt door een samenwerking aan het Weizmann Institute in Israël om grenzen te stellen aan een hypothetische vijfde kracht. Het was duidelijk dat de grenzen aanzienlijk verbeterd konden worden door smalle overgangen in calciumisotopen te gebruiken, vooral bij het combineren van overgangen van verschillende ladingstoestanden.'

'José Crespo en zijn groep voerden de eerste in-EBIT metingen uit op Ca14+ en bepaalden de gevoeligheid voor nieuwe natuurkunde die mijn groep hielp de overgangen te vinden met behulp van quantum logica spectroscopie en de isotoopverschuiving tot op het niveau van 100 mHz te meten.'

In 2023, rond dezelfde tijd dat Crespo en zijn onderzoeksteam de eerste metingen van Ca14+ uitvoerden binnenin een ionenval met elektronenbundel, kwamen Schmidt en zijn collega's op de hoogte van de inspanningen van een ander team onder leiding van Diana Aude Craik, dat onderzoekers omvatte in de groep van Jonathan Home aan ETH.

Craik hermat opnieuw de isotoopverschuivingen van de Ca+ klokovergang (d.w.z. dat er nauwkeurigere metingen van deze isotoopverschuiving werden gedaan in vijf isotopen, op een specifieke optische overgang die typisch wordt gebruikt om optische atoomklokken te ontwikkelen).

'Door isotoopparen samen vast te houden, voerden we een directe, differentiële meting van de isotoopverschuiving uit, waarbij de belangrijkste bronnen van experimentele ruis die beide ionen beïnvloeden, werden geëlimineerd, om de meetnauwkeurigheid met twee ordes van grootte te verbeteren,' legde Luca Huber, een promovendus aan ETH die een van de mede-eerste auteurs van de studie is, uit.

'Dit was de eerste keer dat een niet-lineariteit werd waargenomen in een calcium King plot,' voegde Craik toe.

'King plots waren eerder gemaakt in calcium zelfs tot ongeveer 10 Hz meetprecisie. Onze groep aan ETH verbeterde de meetnauwkeurigheid van de overgang in Ca+ tot 100 mHz, en Piet's groep bereikte een vergelijkbare precisie in Ca14+. Dit, samen met Klaus Blaum's verbetering in de precisie van de nucleaire massaverhoudingen, stelde ons in staat om een sub-Hz King plot te maken, dat eindelijk de niet-lineariteit onthulde.'

Ontdek het laatste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen - dagelijks of wekelijks.

In een eerder gepubliceerde paper in 2017 gebruikte Fuchs isotoopverschuivingsspectroscopie om grenzen vast te stellen voor een hypothetische vijfde kracht (een nieuwe fundamentele interactie tussen deeltjes die nog niet bekend is).

Als onderdeel van hun recente studie hebben Schmidt en Fuchs een nieuwe samenwerking opgezet met Craik en diverse andere experts op verschillende gebieden van de natuurkunde, waaronder precisie optische spectroscopie en massaspectrometrie, atomaire en nucleaire structuurtheorie en hoge-energiefysica, met als doel de beperkingen op deze vijfde hypothetische kracht verder aan te scherpen.

'We vroegen Craik om zich bij onze samenwerking aan te sluiten en hadden al contact opgenomen met Klaus Blaum over een verbeterde meting van de nucleaire massa's, aangezien we wisten dat we anders beperkt zouden worden door hun onzekerheid,' zei Schmidt.

'Elina Fuchs van de Leibniz Universiteit in Hannover nam het voortouw bij de interpretatie van de gegevens in de vorm van een uitsluitingsplot en coördineerde het consortium, dat werd aangevuld door andere collega's op het gebied van theorie die werkten aan structuurberekeningen van atomaire en nucleaire structuur met betrekking tot effecten van hogere orde van het standaardmodel.'

Als onderdeel van hun nieuwe samenwerking combineerden Schmidt en zijn collega's hun metingen van isotoopverschuivingen van de kloktransities van Ca+ en Ca14+. De isotoopverschuiving van een transitie is afhankelijk van twee essentiële factoren, namelijk verschillen in de verdeling van nucleaire lading en verschillen in nucleaire massa.

'De afhankelijkheid van de verandering in nucleaire grootte kan worden geëlimineerd door het meten van twee transities,' legde Fuchs uit.

'Dit resulteert in een lineaire afhankelijkheid tussen de massanormale isotoopverschuiving van de twee transities, een zogenaamd King plot. Een hypothetische vijfde kracht zou deze lineariteit doorbreken, maar dat zouden ook effecten van hogere orde van het standaardmodel kunnen doen. We hebben een non-lineariteit waargenomen van meer dan 1000 standaard deviaties.

'Zeer nauwkeurige berekeningen van de massaverschuiving van de tweede orde stelden ons in staat om de bijdrage daarvan af te trekken. Theoetische schattingen geven aan dat de grote resterende non-lineariteit veroorzaakt zou kunnen worden door nucleaire polariseerbaarheid, die momenteel niet met hoge nauwkeurigheid kan worden berekend.'

De nieuwe metingen uitgevoerd door de samenwerking zouden kunnen helpen om nucleaire modellen van een effect dat bekend staat als nucleaire polariseerbaarheid te verbeteren, wat inhoudt dat een atomaire kern vervormd wordt door elektromagnetische velden. Bovendien slaagden de onderzoekers erin om een derde transitie toe te voegen aan het King plot die eerder gemeten was door verschillende onderzoeksgroepen met een precisie van 6 tot 20 Hz. Dit verkleinde de parameter ruimte voor Yukawa-type interacties, waarbij sprake zou kunnen zijn van een hypothetische vijfde kracht.

'Door een derde transitie toe te voegen aan het King plot, konden we verdere bijdragen van het standaardmodel elimineren en de strengste King plot-gebaseerde beperking op het bestaan van een vijfde kracht koppelende neutronen aan elektronen verkrijgen,' zei Fuchs.

'Onze studie heeft het belang van de nucleaire polariseerbaarheid als aanzienlijke bijdrage aan metingen van isotoopverschuiving met hoge nauwkeurigheid belicht.'

De onderzoekers hopen dat hun studie nieuwe studies in de kernfysica zal inspireren die zich richten op nucleaire polariseerbaarheid, wat het huidige begrip van kernfysica verder zou kunnen verrijken. Ondertussen zijn ze van plan om steeds nauwkeuriger spectroscopiemetingen uit te voeren die nog strengere King plot-gebaseerde beperkingen kunnen opleggen aan een mogelijke vijfde kracht buiten het Standaardmodel.

Craik en haar collega's aan de ETH zijn nu bezig met het meten van de derde transitie die in de analyse is opgenomen met een hogere precisie, met als doel een precisie van 10 mHz. Deze meting zou de weg kunnen effenen voor nog gerichtere zoektochten naar interacties buiten het Standaardmodel.

'Deze meting zal ons helpen bepalen of de bijdrage van nucleaire polariseerbaarheid kan worden 'weggefactoriseerd' door het maken van een hoger-dimensionaal King plot met meer transities,' aldus Craik.

'Als we ontdekken dat deze bijdrage door experiment alleen geëlimineerd kan worden, zouden de uitdagingen om dit nucleaire effect te berekenen ons niet langer beletten om de gevoeligheid voor nieuwe fysica van spectroscopie met isotoopverschuiving in onontgonnen fase-ruimte te verhogen.'

Geschreven voor u door onze auteur Ingrid Fadelli, geredigeerd door Sadie Harley en feitengecheckt en beoordeeld door Robert Egan - dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We rekenen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek in leven te houden. Als deze berichtgeving voor u van belang is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). U krijgt een account zonder advertenties als bedankje.

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

Journal informatie: Physical Review Letters

© 2025 Science X Network