En studie skärper de storskaliga begränsningarna för en hypotetisk femte kraft baserad på King-plotter.

Den 23 juni 2025 av Ingrid Fadelli, Phys.org bidragande författare Redigerad av Sadie Harley, granskad av Robert Egan vetenskaplig redaktör biträdande redaktör Den här artikeln har granskats enligt Science X redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande egenskaper medan de säkerställer innehållets trovärdighet: faktagranskad granskad av kollegor pålitlig källa korrekturläst Medan Standardmodellen (SM) beskriver alla kända grundläggande partiklar och många av interaktionerna mellan dem, misslyckas den med att förklara mörk materia, mörk energi och den uppenbara asymmetrin mellan materia och antimateria i universum. Under de senaste decennierna har fysiker därför introducerat olika ramverk och metoder för att studera fysik bortom SM, varav en är känd som King-plot. King-plot är en grafisk teknik som används för att analysera isotopskift, variationer i energinivåer hos olika isotoper (t.ex. atomer av samma element som innehåller ett annat antal neutroner). Det här grafiska verktyget har visat sig lovande för att separera effekter som förklaras av SM från signaler kopplade till ny fysik. Forskare vid Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Max-Planck-Institutet för kärnfysik och ETH Zürich samlade nyligen in nya mätvärden som skärpte King-plot-baserade begränsningar av egenskaperna hos en hypotetisk partikel som ännu inte har observerats, känd som en Yukawa-typboson. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, betonar ytterligare potentialen hos isotopskiftspektroskopi och King-plot-tekniken för att testa partikelfysikteorier och söka efter fysik utanför SM. ”Tillbaka 2015 utförde min grupp isotopskifsmätningar på breda, dipol-tillåtna övergångar i Ca+ med 100 kHz osäkerhet med hjälp av en ny teknik (fotonrekylspektroskopi) som vi hade utvecklat tidigare,” berättade Piet O. Schmidt, huvudförfattare av artikeln, för Phys.org. ”Några år senare användes dessa data av ett samarbete vid Weizmann Institute i Israel för att sätta gränser för en hypotetisk femte kraft. Det var uppenbart att gränserna kunde förbättras avsevärt med smala övergångar i kalciumisotoper, särskilt vid kombination av övergångar från olika laddningstillstånd. ”José Crespo och hans grupp utförde de första mätningarna på Ca14+ och bestämde känsligheten för ny fysik som hjälpte min grupp att hitta övergångarna med kvantlogikspektroskopi och mäta isotopskiftet ner till nivån 100 mHz.” År 2023, ungefär samtidigt som Crespo och hans forskningsgrupp utförde de första mätningarna av Ca14+ i en elektronstråljonfälla, fick Schmidt och hans kollegor kännedom om insatserna från ytterligare ett team ledd av Diana Aude Craik, involverande forskare i Jonathan Homes grupp vid ETH. Craik var omattar isotopskift på Ca+ klockövergången (d.v.s. genomför mer exakta mätningar av detta isotopskiften i fem isotoper, på en specifik optisk övergång som typiskt används för att utveckla optiska atomklockor). ”Genom att sammanfoga isotopp-par utförde vi en direkt, differentiell mätning av isotopskift, vilket eliminerade huvudkällorna till experimentell brus som påverkar båda joner, för att förbättra mätningens precision med två storleksordningar,” förklarade Luca Huber, en doktorand vid ETH som är en av de medförsta författarna till studien. ”Det här var första gången en ickelinjäritet sågs i en kalcium-King-plot,” tillade Craik. ”King-plottar hade tidigare gjorts i kalcium till och med ner till ungefär 10 Hz mätnoggrannhet. Vår grupp vid ETH förbättrade mätnoggrannheten för övergången i Ca+ till 100 mHz, och Piets grupp uppnådde en liknande precision i Ca14+. Detta, tillsammans med Klaus Blaums förbättring av precisionen hos de kärnmassförhållanden, möjliggjorde att vi gjorde en sub-Hz King-plot, vilket till sist avslöjade ickelinjäriteten.” Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Anmäl dig till vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något – dagligen eller veckovis. I en tidigare artikel publicerad 2017, använde Fuchs isotopskifte-spektroskopi för att etablera gränser för en hypotetisk femte kraft (d.v.s. en ny grundläggande interaktion mellan partiklar som ännu inte är känd). Som en del av deras senaste studie, etablerade Schmidt och Fuchs ett nytt samarbete med Craik och olika andra experter inom olika områden av fysik, inklusive precisionsspektroskopi, masspektrometri, teorin för atom- och kärnstruktur och högenergifysik, med målet att ytterligare skärpa begränsningarna för denna femte hypotetiska kraft."Vi bad Craik att gå med i vårt samarbete och hade redan kontaktat Klaus Blaum angående en förbättrad mätning av kärnmassorna, eftersom vi visste att vi annars skulle vara begränsade av deras osäkerhet," sa Schmidt. "Elina Fuchs från Leibniz University i Hannover tog ledningen i tolkningen av data i form av en uteslutningsplott och samordnade konsortiet, som kompletterades av andra teorikollegor som arbetade med atom- och kärnstrukturberäkningar av högre ordningens standardmodelleffekter." Som en del av deras nya samarbete kombinerade Schmidt och hans kollegor sina mätningar av isotopskift av Ca+ och Ca14+ klockövergångar. Isotopskiftet för en övergång beror på två nyckelfaktorer, nämligen skillnader i fördelningen av kärnladdning och skillnader i kärnmassa. "Beroendet av förändringen i kärnstorlek kan elimineras genom att mäta två övergångar," förklarade Fuchs. "Detta resulterar i ett linjärt beroende mellan massnormaliserade isotopskift av de två övergångarna, vilket kallas en King-plot. En hypotetisk femte kraft skulle bryta den linjäriteten, men det skulle även högre ordningens bidrag från standardmodellen. Vi har observerat en ickelinjäritet på över 1000 standardavvikelser. "Mycket noggranna beräkningar av andra ordningens massa skift möjliggjorde att vi subtraherade dess bidrag. Teoretiska uppskattningar tyder på att den stora kvarvarande olinjäriteten kan bero på kärnpolarisabilitet, som för närvarande inte kan beräknas med hög noggrannhet." De nya mätningarna som utfördes av samarbetet skulle kunna bidra till att förbättra kärnmodeller av en effekt som kallas kärnpolarisabilitet, vilket innebär distorsion av en atomkärna av elektromagnetiska fält. Dessutom lyckades forskarna lägga till en tredje övergång i King-plotten som tidigare hade mätts av olika forskargrupper med en precision på 6 till 20 Hz. Detta begränsade parameterrummet för Yukawa-typ interaktioner, vilket skulle kunna vara en hypotetisk femte kraft. "Genom att lägga till en tredje övergång i King-plotten kunde vi ta bort ytterligare standardmodellbidrag och erhålla den strängaste King-plottbaserade begränsningen för existensen av en femte kraft som binder neutroner till elektroner," sa Fuchs. "Vår studie har kastat ljus över vikten av kärnpolarisabiliteten som ett betydande bidrag till hög noggranna isotopskiftsmätningar." Forskarna hoppas att deras studie kommer att inspirera nya kärnfysikstudier med fokus på kärnpolarisabilitet, vilket skulle kunna berika den nuvarande förståelsen av kärnfysik. Samtidigt planerar de att utföra alltmer exakta spektroskopimätningar som skulle kunna sätta ännu strängare King-plottbaserade begränsningar på en möjlig femte kraft bortom SM. Craik och hennes kollegor på ETH mäter nu den tredje övergången som ingår i analysen med högre noggrannhet och siktar på en precision på 10 mHz. Denna mätning skulle kunna öppna vägen för ännu mer riktade sökningar efter interaktioner bortom SM. "Denna mätning kommer att hjälpa oss att avgöra om det kärnpolariseringsbidraget kan 'faktoriseras bort' genom att göra en högdimensionell King-plot med fler övergångar," sa Craik. "Om vi finner att detta bidrag kan elimineras med experiment enbart, skulle utmaningarna med att beräkna denna kärneffekt inte längre förhindra oss från att driva nyfikenhetskänsligheten för isotoskiftspektroskopi in i outforskad fasrymd." Skrivet för dig av vår författare Ingrid Fadelli, redigerad av Sadie Harley och faktagranskad av Robert Egan - den här artikeln är resultatet av noggrant människovärk. Vi förlitar oss på läsare som dig för att hålla oberoende vetenskapsjournalistik vid liv. Om den här rapporteringen betyder något för dig, vänligen överväg en donation (speciellt månatlig). Du får ett annonsfritt konto som tack. Mer information: Alexander Wilzewski et al, Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.233002. Tidskriftsinformation: Physical Review Letters © 2025 Science X Network"