Стандартной модели (СМ) не удаётся объяснить тёмную материю, тёмную энергию и видимую асимметрию между материей и антиматерией во Вселенной. В течение последних десятилетий физики ввели различные системы и методы для изучения физики за пределами СМ, одной из которых является график Кинга.
График Кинга
График Кинга — это графический метод, используемый для анализа сдвигов изотопов, вариаций энергетических уровней различных изотопов (например, атомов одного и того же элемента, содержащих разное количество нейтронов). Этот графический инструмент оказался перспективным для отделения эффектов, объясняемых СМ, от сигналов, связанных с новой физикой.
Недавние измерения
Исследователи из Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Института ядерной физики 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.
Изотопные сдвиги
В 2015 году группа Пьера О. Шмидта выполнила измерения изотопных сдвигов на широких дипольно-разрешённых переходах в Ca$^+$ с неопределённостью 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 можно значительно улучшить, используя узкие переходы в изотопах кальция, особенно при объединении переходов из разных зарядовых состояний.
Сотрудничество и измерения
Хосе Креспо и его группа выполнили первые измерения в электронном пучке ионной ловушки (EBIT) на Ca$^{14+}$ 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 Ca$^{14+}$ внутри электронной пучковой ионной ловушки, Шмидт и его коллеги узнали об усилиях другой группы 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 выполняла более точные измерения этого изотопного сдвига в пяти изотопах по специфическому оптическому переходу, обычно используемому для разработки оптических атомных часов).
Улучшение точности измерений
«Совместно удерживая пары изотопов, мы выполнили прямое дифференциальное измерение изотопного сдвига, устраняя основные источники экспериментального шума, который влияет на оба иона, чтобы повысить точность измерений на два порядка», — объяснил Лука Хубер, аспирант ETH, один из соавторов исследования.
«Это был первый раз, когда нелинейность была замечена на графике Кинга для кальция», — добавила Крейк.
Группа в ETH улучшила точность измерения перехода в Ca$^+$ до 100 мГц, а группа Пьера достигла аналогичной точности в Ca$^{14+}$. Это, в сочетании с улучшением Клауса Блаума в точности ядерных массовых соотношений, позволило им создать график Кинга с точностью менее одного герца, который наконец выявил нелинейность.
Ограничения на гипотетическую пятую силу
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 установили 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, с целью дальнейшего ужесточения ограничений на эту пятую гипотетическую силу.
«Мы попросили Крейк присоединиться к нашему сотрудничеству и уже связались с Клаусом Блаумом по поводу улучшенных измерений ядерных масс, поскольку мы знали, что в противном случае будем ограничены их неопределённостью», — сказал Шмидт.
«Элина Фукс из Лейбницевского университета в Ганновере взяла на себя инициативу в интерпретации данных в виде графика исключения и координировала консорциум, который дополнили другие коллеги-теоретики, работающие над расчётами атомной и ядерной структуры эффектов высшего порядка стандартной модели», — говорится в статье.