Тайна темной материи на грани раскрытия: как физики из Швейцарии ищут пятую силу природы

Швейцарские физики предприняли нестандартный подход в поисках загадочной "пятой силы" природы — гипотетического взаимодействия, которое может расширить границы Стандартной модели физики элементарных частиц. Этот новый метод направлен на изучение таких явлений, как темная материя и возможное существование новых частиц, которые могут открыть доступ к "новой физике". В отличие от традиционных методов, использующих мощные ускорители частиц, команда из ETH Zurich применяет прецизионную атомную спектроскопию для поиска этой силы.

Стандартная модель и её ограничения

Стандартная модель физики элементарных частиц считается лучшим объяснением для описания материи и взаимодействий в микромире. Однако, как подчеркивает профессор Диана Крейк из ETH Zurich, эта модель имеет свои ограничения.

"Стандартная модель — это лучшее из существующих объяснений устройства Вселенной, но мы знаем, что она не может объяснить все", — говорит Крейк.

Одной из проблем, которую Стандартная модель не может объяснить, является аномальное поведение галактик, которое нельзя полностью объяснить видимой материей. Эти наблюдения привели к гипотезе о существовании темной материи, что свидетельствует о необходимости искать новые теории за пределами привычной модели.

Идея поиска пятой силы

Некоторые теории предсказывают существование пятой фундаментальной силы, которая могла бы взаимодействовать между нейтронами в ядре атома и электронами на его орбите. Если такая сила существует, её переносчиком может быть еще не открытая частица.

Для поиска этой гипотетической силы ученые из ETH Zurich используют прецизионную спектроскопию атомных изотопов кальция. Согласно гипотезе, интенсивность этой силы должна зависеть от количества нейтронов в атоме, поэтому ученые изучают различные изотопы кальция.

"Как физики-атомщики, мы можем измерять атом с исключительной точностью", — объясняет Диана Крейк.

Изотопы и ионные ловушки

Для того чтобы обнаружить слабые изменения в энергетических уровнях, команда использует ионные ловушки — устройства, которые с помощью электромагнитных полей удерживают заряженные атомы. В этих ловушках изотопы кальция подвергаются воздействию лазеров, что позволяет ученым измерять их энергетические переходы с высокой точностью.

Учёные исследуют несколько стабильных изотопов кальция с одинаковым количеством протонов, но различным числом нейтронов. Это позволяет изучать изменения в энергетических уровнях, которые могут быть вызваны не только известными эффектами, но и возможным влиянием новой силы.

Результаты экспериментов

Команда уже достигла высокой точности в измерениях, определив сдвиги энергетических уровней с точностью до 100 миллигерц, что в 100 раз точнее предыдущих исследований. Эти измерения проводились в ловушке, где одновременно удерживались два изотопа кальция, что позволило минимизировать погрешности.

"Мы не можем утверждать, что открыли новую физику, но теперь мы знаем, насколько сильной может быть эта сила, потому что если бы она была сильнее, мы уже бы заметили её в наших измерениях", — подчеркивает Крейк.

В ходе дополнительных экспериментов с участием исследователей из Германии и Австралии было установлено, что наблюдаемые отклонения лишь частично объясняются известными ядерными эффектами. Это указывает на наличие неучтенного фактора, возможно, связанного с ядерной поляризацией — явлением, при котором ядро атома реагирует на влияние электронов.

Следующие шаги

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение третьего энергетического перехода в изотопах кальция. Это должно позволить ещё более точно измерить возможное влияние новой силы.

"Мы надеемся, что это поможет преодолеть теоретические трудности и продвинуться в поисках новой силы", — добавила Крейк.

Команда физиков из Швейцарии намерена продолжить свои исследования, надеясь раскрыть одну из самых загадочных сторон физики — пятую силу природы, которая может существенно изменить наше понимание Вселенной.

Уточнения

Тёмная мате́рия - в астрономии и космологии, а также в теоретической физике гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению.