Стандартной модели (СМ) удаётся описать все известные фундаментальные частицы и многие взаимодействия между ними, однако она не объясняет тёмную материю, тёмную энергию и видимую асимметрию между материей и антиматерией во Вселенной. В течение последних десятилетий физики разработали различные подходы и методы для изучения физики за пределами СМ, одним из которых является график Кинга.
График Кинга — это графический метод, используемый для анализа сдвигов изотопов, вариаций в энергетических уровнях различных изотопов (например, атомов одного и того же элемента, содержащих разное количество нейтронов). Этот инструмент доказал свою перспективность для отделения эффектов, объясняемых СМ, от сигналов, связанных с новой физикой.
Исследователи из Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Института ядерной физики Общества Макса Планка и ETH Zurich недавно провели новые измерения, которые ужесточили ограничения, основанные на графике Кинга, для свойств гипотетической частицы, которая ещё не была обнаружена, известной как бозон юкавского типа.
Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, подчёркивает потенциал спектроскопии изотопных сдвигов и техники графика Кинга для проверки теорий физики элементарных частиц и поиска физики за пределами СМ.
Подробности исследования
В 2015 году группа Пьера О. Шмидта провела измерения изотопных сдвигов на широких дипольно-разрешённых переходах в Ca⁺ с погрешностью в 100 кГц, используя новую технику (спектроскопию фотонного отката), разработанную ранее.
Несколько лет спустя эти данные были использованы группой в Институте Вейцмана в Израиле для определения границ гипотетической пятой силы. Было ясно, что границы могут быть значительно улучшены с помощью узких переходов в изотопах кальция, особенно при объединении переходов из разных зарядовых состояний.
Хосе Креспо и его группа выполнили первые измерения в электронном пучковом ионном ловушке (EBIT) на Ca¹⁴⁺ и определили чувствительность к новой физике, что помогло группе Шмидта найти переходы с помощью квантовой логической спектроскопии и измерить изотопный сдвиг до уровня в 100 мГц.
В 2023 году, примерно в то же время, когда Креспо и его исследовательская группа выполнили первые измерения Ca¹⁴⁺ внутри электронной пучковой ионной ловушки, Шмидт и его коллеги узнали об усилиях другой команды под руководством Дианы Ауде Крейк, в которой участвовали исследователи из группы Джонатана Хоума в ETH.
Крейк повторно измеряла изотопные сдвиги перехода часов Ca⁺ (то есть проводила более точные измерения этого изотопного сдвига в пяти изотопах на конкретном оптическом переходе, обычно используемом для разработки оптических атомных часов).
Используя совместное удержание пар изотопов, они провели прямые дифференциальные измерения изотопного сдвига, устранив основные источники экспериментального шума, который влияет на оба иона, чтобы повысить точность измерений на два порядка.
Это был первый раз, когда нелинейность была замечена на графике Кинга для кальция.
В более ранней статье, опубликованной в 2017 году, Фукс использовал спектроскопию изотопных сдвигов для установления границ для гипотетической пятой силы. В рамках своего недавнего исследования Шмидт и Фукс наладили новое сотрудничество с участием Крейк и различных других экспертов в различных областях физики, включая прецизионную оптическую спектроскопию и масс-спектрометрию, теорию атомной и ядерной структуры и физику высоких энергий.
Цель этого сотрудничества — дальнейшее ужесточение ограничений для этой гипотетической пятой силы.
Результаты
Шмидт и его коллеги объединили свои измерения изотопных сдвигов переходов часов Ca⁺ и Ca¹⁴⁺. Изотопный сдвиг перехода зависит от двух ключевых факторов: различий в распределении ядерного заряда и различий в ядерной массе.
Зависимость от изменения размера ядра может быть устранена путём измерения двух переходов, что приводит к линейной зависимости между массовыми изотопными сдвигами двух переходов, называемой графиком Кинга. Гипотетическая пятая сила нарушила бы эту линейность, но то же самое сделали бы и вклады высших порядков стандартной модели.
Исследователи наблюдали нелинейность более чем в 1000 стандартных отклонениях. Высокоточные расчёты сдвига массы второго порядка позволили им вычесть его вклад. Теоретические оценки показывают, что большая остаточная нелинейность может быть вызвана ядерной поляризуемостью, которую в настоящее время невозможно рассчитать с высокой точностью.
Новые измерения, выполненные в рамках сотрудничества, могут помочь улучшить ядерные модели эффекта, известного как ядерная поляризуемость, который влечёт за собой искажение атомного ядра электромагнитными полями.
Исследователи надеются, что их исследование вдохновит на новые исследования в области ядерной физики, сосредоточенные на ядерной поляризуемости, которые могут ещё больше обогатить современное понимание ядерной физики.
Между тем они планируют проводить всё более точные спектроскопические измерения, которые могут установить ещё более строгие ограничения на основе графика Кинга для возможной пятой силы за пределами СМ.