Badania zawężają ograniczenia oparte na hipotetycznej siódmej mocy na podstawie wzmocnionego Króla.

23 czerwca 2025 r. informacja

autor: Ingrid Fadelli, Phys.org

autor współpracujący

redakcja: Sadie Harley, opracowanie: Robert Egan

redaktor naukowy

redaktor współpracujący

Ten artykuł został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redakcja podkreśliła następujące cechy, dbając o wiarygodność treści:

zweryfikowane fakty

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

skorygowane

Standardowy Model (SM) opisuje wszystkie znane cząstki podstawowe i wiele interakcji między nimi, ale nie potrafi wyjaśnić ciemnej materii, ciemnej energii i pozornej asymetrii między materią a antymaterią we wszechświecie. W związku z tym w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci fizycy wprowadzili różne ramy i metody do badania fizyki poza SM, jedną z nich jest znany jako wykres Kiński.

Wykres Kinga to technika graficzna używana do analizy przesunięć izotopowych, czyli różnic w poziomach energetycznych różnych izotopów (np. atomów tego samego pierwiastka, które zawierają różną liczbę neutronów). Narzędzie to okazało się obiecujące w oddzieleniu efektów wyjaśnianych przez SM od sygnałów związanych z nową fizyką.

Nedawno badacze z Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Instytutu Maxa Plancka Fizyki Jądrowej oraz ETH Zurich zebrali nowe pomiary, które zawęziły ograniczenia oparte na wykresie Kinga dotyczące właściwości hipotetycznej cząstki, której nie zaobserwowano jeszcze, znanej jako bozon typu Yukawa.

Ich praca, opublikowana w Physical Review Letters, dalej podkreśla potencjał spektroskopii przesunięć izotopowych oraz techniki wykresu Kinga do testowania teorii fizyki cząstek i poszukiwań fizyki poza SM.

„W 2015 roku moja grupa przeprowadziła pomiary przesunięcia izotopowego na szerokich przejściach dozwolonych dipolowo w Ca + z dokładnością 100 kHz przy użyciu nowej techniki (spektroskopii oddziaływania odrzutu fotonowego), którą wcześniej opracowaliśmy,” powiedział Piet O. Schmidt, główny autor artykułu, dla Phys.org.

„Kilka lat później te dane zostały wykorzystane przez współpracę w Instytucie Weizmanna w Izraelu do nałożenia ograniczeń na hipotetyczną piątą siłę. Jasne było, że ograniczenia można znacznie poprawić, używając wąskich przejść w izotopach wapnia, zwłaszcza łącząc przejścia z różnych stanów naładowania.

„José Crespo i jego grupa przeprowadzili pierwsze pomiary w-EBIT na Ca14+ i określili wrażliwość na nową fizykę, co pomogło mojej grupie znaleźć przejścia za pomocą spektroskopii kwantowej logiki i zmierzyć przesunięcie izotopowe aż do poziomu 100 mHz.”

W 2023 roku, w około tym samym czasie, gdy Crespo i jego zespół badawczy przeprowadzili pierwsze pomiary Ca14+ wewnątrz pułapki na jony wiązki elektronów, Schmidt i jego koledzy dowiedzieli się o działaniach innego zespołu pod przewodnictwem Diany Aude Craik, z udziałem badaczy z grupy Jonathana Home'a na ETH.

Craik prowadziła ponowne pomiary przesunięć izotopowych przejścia zegara Ca+ (tj. wykonując bardziej precyzyjne pomiary tego przesunięcia izotopowego w pięciu izotopach, na konkretne przejście optyczne, które zazwyczaj wykorzystywane jest do opracowywania zegarów atomowych optycznych).

„Poprzez wspólne pułapki par izotopów, dokonaliśmy bezpośredniego, różnicowego pomiaru przesunięcia izotopowego, eliminując główne źródła szumu eksperymentalnego, które wpływają na oba jony, aby poprawić precyzję pomiaru o dwa rzędy wielkości,” wytłumaczył Luca Huber, student doktorancki z ETH, jeden z współpierwszych autorów studium.

„To był pierwszy raz, kiedy nieciągłość była widoczna na wykresie Kinga wapnia,” dodała Craik.

„Wykresy Kinga były wcześniej wykonane w wapniu nawet do około 10 Hz precyzji pomiaru. Nasza grupa na ETH poprawiła precyzję pomiaru przejścia w Ca+ do 100 mHz, a grupa Piotra osiągnęła podobną precyzję w Ca14+. To, w połączeniu z poprawą precyzji stosunków mas jądrowych przez Klausa Blaum'a, pozwoliło nam zrobić wykres Kinga na poziomie poniżej 1 Hz, co wreszcie ujawniło nieciągłość."

Odkrywaj najnowsze informacje ze świata nauki, technologii i przestrzeni dzięki ponad 100 000 subskrybentom polegającym na Phys.org dla codziennych spostrzeżeń. Zapisz się do naszego bezpłatnego biuletynu i otrzymuj aktualizacje o przełomach, innowacjach i badaniach, które mają znaczenie—codziennie lub co tydzień.

Wcześniej, w 2017 roku, Fuchs wykorzystał spektroskopię przesunięć izotopowych do ustalenia granic hipotetycznej piątej siły (tj. nowej podstawowej interakcji między cząstkami, której jeszcze nie znamy).

W ramach swojego niedawnego badania, Schmidt i Fuchs ustanowili nową współpracę z Craik i różnymi innymi ekspertami z różnych obszarów fizyki, w tym precyzyjnej spektroskopii optycznej i spektrometrii mas, teorii struktury atomowej i jądrowej oraz fizyki wysokich energii, z celem dalszego zawężenia ograniczeń dotyczących tej hipotetycznej piątej siły.

"Elina Fuchs z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze prowadziła interpretację danych w formie wykresu wykluczeń i koordynowała konsorcjum, które zostało uzupełnione przez innych kolegów teoretyków pracujących nad obliczeniami struktury atomowej i jądrowej efektów modelu standardowego wyższego rzędu."

W ramach ich nowej współpracy, Schmidt i jego koledzy połączyli swoje pomiary przesunięć izotopowych przejść zegarowych Ca+ i Ca14+. Przesunięcie izotopowe przejścia zależy od dwóch kluczowych czynników, czyli różnic w rozkładzie ładunku jądrowego i różnic w masie jądrowej.

"Zależność od zmiany rozmiaru jądra atomowego można wyeliminować poprzez pomiar dwóch przejść" - wyjaśniła Fuchs.

"Skutkuje to liniową zależnością między ustandaryzowanym masowym przesunięciem izotopowym dwóch przejść, zwanych wykresem Króla. Hipotetyczna piąta siła złamałaby tę liniowość, ale także wyższe wkłady modelu standardowego. Obserwowaliśmy nieliniowość wynoszącą ponad 1000 odchyleń standardowych.

"Wysoce dokładne obliczenia przesunięcia drugiego rzędu masy pozwoliły nam odjąć jego wkład. Szacunki teoretyczne wskazują, że dużo pozostałej nieliniowości mogłaby być spowodowana polarowalnością jądrową, która obecnie nie może być obliczana z wysoką dokładnością."

Nowe pomiary przeprowadzone przez współpracę mogą pomóc w ulepszeniu modeli jądrowych efektu znianego jako polarowalność jądrowa, która polega na zniekształceniu jądra atomowego przez pola elektromagnetyczne. Ponadto badacze mogli dodać trzecie przejście do wykresu Króla, które zostało wcześniej zmierzone przez różne grupy badawcze z precyzją od 6 do 20 Hz. Ograniczyło to przestrzeń parametrów dla interakcji typu Yukawa, które mogą być hipotetyczną piątą siłą.

"Dodając trzecie przejście do wykresu Króla, mogliśmy usunąć dalsze wkłady modelu standardowego i uzyskać najbardziej restrykcyjne ograniczenie oparte na wykresie Króla dotyczące istnienia piątej siły sprzęgającej neutrony z elektronami" - powiedziała Fuchs.

"Nasze badania rzucają światło na znaczenie polarowalności jądrowej jako znaczącego wkładu w dokładne pomiary przesunięć izotopowych."

Badacze mają nadzieję, że ich badania zainspirują nowe badania fizyki jądrowej skupiające się na polarowalności jądrowej, co może dalej wzbogacić obecną wiedzę z zakresu fizyki jądrowej. Tymczasem planują przeprowadzić coraz bardziej precyzyjne pomiary spektroskopowe, które mogą narzucić jeszcze bardziej restrykcyjne ograniczenia oparte na wykresie Króla na możliwą piątą siłę poza SM.

Craik i jej koledzy z ETH obecnie mierzą trzecie przejście włączone w analizę z większą dokładnością, dążąc do precyzji 10 mHz. Ten pomiar może przygotować drogę do jeszcze bardziej ukierunkowanych poszukiwań interakcji poza SM.

"Ten pomiar pomoże nam określić, czy wkład polarowalności jądrowej może być 'wykluczony' poprzez wykonanie wykresu Króla o większej liczbie wymiarów z większą ilością przejść" - powiedziała Craik.

"Jeśli stwierdzimy, że ten wkład może zostać wyeliminowany wyłącznie przez eksperyment, wyzwania związane z obliczeniami tego efektu jądrowego nie będą już uniemożliwiać nam posuwania się do przodu wrażliwością na nową fizykę spektroskopii przesunięć izotopowych w niezbadaną przestrzeń fazową."

Napisane dla Ciebie przez naszą autorkę Ingrid Fadelli, edytowane przez Sadie Harley , zweryfikowane i zrecenzowane przez Roberta Egana - ten artykuł jest wynikiem starannej pracy człowieka. Polegamy na czytelnikach takich jak Ty, by utrzymać niezależne dziennikarstwo naukowe przy życiu. Jeśli ta relacja ma dla Ciebie znaczenie, rozważ wsparcie finansowe (szczególnie comiesięczne). Otrzymasz dzięki temu konto bez reklam jako podziękowanie.

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

Informacje o czasopiśmie: Physical Review Letters

© 2025 Sieć Science X.