新物理学？离子阱实验探寻“第五种力”以解释暗物质

专家们从理论上提出了一种新的、第五种自然力的可能性。

科学家们正在利用超高精度实验中的“被捕获的离子”，来搜寻一种新的、第五种自然力，这种力可能有助于解释难以捉摸的暗物质。

不可见的暗物质是宇宙最大的谜团之一，其存在仅通过它产生的引力效应得以证实。

物理学标准模型长期以来一直是最佳指南，它精确描述了物质的基本构成单元以及支配它们的力。

然而，它并不能解释一切。

寻找第五种力

物理学家认为，宇宙的大部分质量来自一种未知形式的物质。

为了解释这一点，专家们从理论上提出了一种新的、第五种自然力的可能性。目前已确立的四种基本力是引力、电磁力、强核力和弱核力。

据推测，在原子核中的中子与围绕其运行的电子之间，很可能存在一种未被发现的“第五种力”。这种假想的力如果真实存在，将由一种新的、迄今未被观测到的粒子传递。

长期以来，人们一直使用像欧洲核子研究中心（CERN）那样的大型粒子加速器来寻找新粒子。

然而，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的团队采取了不同的方法。

“作为原子物理学家，我们可以以极高的精度测量原子，”苏黎世联邦理工学院的戴安娜·普拉多·洛佩斯·奥德·克雷克（Diana Prado Lopes Aude Craik）教授表示，“因此，我们的思路是利用精密原子光谱学来寻找中子与电子之间的这种新力。”
如果这种新力存在，其强度将取决于原子核中的中子数量。

该团队利用同位素进行实验，以精确定位这种假想的力。

同位素就像是同种原子的兄弟姐妹，除了中子数量不同外，其他方面完全相同。

离子阱实验

这种新力的存在将意味着，不同同位素中的电子会受到略微不同的总作用力，从而导致微小的能级偏移。

“为了确定这些能量偏移，我们测量了同位素在两个能级之间跃迁时发出的光的频率，”奥德·克雷克解释道。

这需要一个巧妙的工具：离子阱（ion trap）。电磁场使一个带电同位素完美地保持静止，同时用激光激发它。

苏黎世团队使用了五种稳定的、单电荷的钙同位素，每种都有20个质子，但中子数从20到28不等。

他们实现了100毫赫兹（millihertz）的测量精度 —— 比以往对能级偏移的测量精度提高了100倍。

怎么做到的？具体来说，苏黎世联邦理工学院的团队使用离子阱同时囚禁并测量两个单电荷钙同位素。

但搜寻并未止步于此。德国的补充实验使用了高电荷钙离子，而另一个研究小组则精确测量了这些同位素的核质量比。

研究结果表明，已知的核效应只能解释观测到的部分偏差。这会是新力吗？

别急！另一个可能的解释是核极化（nuclear polarization） —— 一种由电子引起的、尚不为人所理解的原子核形变。

“我们不能说我们在这里发现了新物理学。然而，我们知道这种新力的强度最大能有多大，因为即使在存在不确定性的情况下，如果它强于某个值，我们本应在测量中观测到它，”奥德·克雷克补充道。

当前超高精度的测量使得科学家能够限定传递这种力的假想粒子可能具有的性质（质量和电荷）。

研究人员们继续他们的工作，旨在追求更高的精度，并将其分析扩展到三维模型，以克服理论上的挑战。

他们会找到那难以捉摸的第五种力吗？只有时间和持续的精密测量才能给出答案。

该研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。

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