物理学家接近发现第五种力量 或将解开暗物质之谜

科学家们正在尖端实验中使用捕获离子来寻找可能有助于解开暗物质之谜的未被发现的粒子的迹象。粒子物理学的标准模型对构成所有可见物质的基本成分，包括构成我们自身和周围一切的粒子，提供了极其精确的描述。它还定义了支配这些基本粒子之间相互作用的基本力。

物理学家正在利用对钙原子的超精确测量来探究第五种基本力的可能性，从而突破标准模型的界限。通过比较同位素中细微的能量变化，研究人员希望发现新的物理迹象，从而有助于解释宇宙隐藏的质量。

苏黎世联邦理工学院物理学教授戴安娜·普拉多·洛佩斯·奥德·克雷克表示：“标准模型目前是对宇宙的最佳解释，但我们知道它无法解释一切。”她指出，暗物质是“当今物理学最大的谜团之一”的一个例子。

天文学观测表明，我们所能探测到的可见物质并不能完全解释星系的旋转方式。正因如此，物理学家认为宇宙的大部分质量是由一种未知的物质构成的。这促使人们探索能够超越标准模型现有解释范围的理论。

一些主流观点提出了一种新的第五种自然力，与已知的四种基本力（引力、电磁力、强核力和弱核力）相辅相成。一种可能性是，原子核中的中子与周围电子云中的电子之间存在一种此前未知的力。这种假设的力可能由一种新的粒子传递，其方式类似于光子传递电磁力的方式。

精确测量原子

长期以来，研究人员一直利用粒子加速器（例如日内瓦欧洲核子研究中心的加速器）进行实验，以寻找超越标准模型的新粒子。奥德·克雷克和她在苏黎世联邦理工学院量子电子研究所乔纳森·霍姆教授研究小组的同事们则采取了不同的方法。

“作为原子物理学家，我们可以以极高的精度测量原子，”她解释道。“因此，我们的想法是利用精密原子光谱来寻找中子和电子之间的这种新作用力。” 这个位于苏黎世的团队正在与德国和澳大利亚的研究小组合作开展这个项目。

“如果这种力确实存在于原子中，那么它的强度与原子核中的中子数量成正比，”研究团队的博士生卢卡·胡贝尔（Luca Huber）解释道。“这就是我们用同位素进行实验来探测这种假设力的原因。”

同位素是同一原子的不同类型，仅在原子核中中子的数量上有所不同。这意味着同位素具有相同数量的质子和电子，因此在化学上是相同的，但它们各自的质量不同。

因此，由于中子数量的不同，不同同位素中电子所受的总力应该会略有不同。这可以通过检查电子在原子内移动的能级来测量。具体来说，研究人员预计这种新的力会导致不同同位素之间能级的轻微变化。

在精密离子阱中研究钙同位素

“为了确定这些能量变化，我们测量了同位素在两个能级之间转换时发出的光的频率，”奥德·克雷克解释道。

这种测量需要离子阱，电磁场将单个带电同位素固定在离子阱中，然后用激光将其激发到更高的能态。具体来说，研究人员在实验中使用了五种稳定的单电荷钙同位素。每种同位素含有20个质子，但中子数量在20到28个之间。在实验室中，研究人员能够以100毫赫兹的精度测定这些同位素的能级变化，这比之前最好的测量方法精确了一百倍。但他们是如何做到这一点的呢？

“我们同时在离子阱中捕获两种同位素，并同时进行测量，”Huber 解释道。这使得他们能够大幅降低频率测量过程中的干扰噪声。

然而，尽管精度如此之高，仍需要进一步的实验来推进新物理学的研究。苏黎世的研究团队用单电荷钙同位素进行实验，而德国布伦瑞克联邦物理技术研究院 (PTB) 的皮特·施密特 (Piet Schmidt) 领导的研究小组则使用了相同的同位素，但处于多电荷状态。

德国研究小组测量了这些高电荷钙离子的另一种跃迁，其精度与苏黎世团队相似。由海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的克劳斯·布劳姆领导的第三个研究小组，以极高的精度测量了这些同位素之间的核质量比。

确定了更精确的约束

为了正确解释这一结果，德国和澳大利亚的其他研究团队进行了精确计算。他们的结果表明，已知的核效应只能解释部分偏差。另一个可能的原因是核极化，这是一种由电子引起的原子核变形，迄今为止研究甚少。其复杂的计算表明，核极化可能足够大，足以在标准模型的范围内解释测量到的非线性。

“我们不能说我们在这里发现了新的物理学，”奥德·克雷克强调道。“然而，我们最多知道这种新作用力的强度，因为即使存在不确定性，我们也能通过测量观察到它。” 研究人员现在可以设定传递这种新作用力的假设粒子的质量和电荷的可能值范围。

研究人员目前正在努力进一步提高研究结果的准确性。“我们目前正在测量钙同位素中的第三次能量跃迁，”Huber 说道，“而且精度比以前更高。” 由此，他们旨在将 King 图从二维扩展为三维图。“我们希望这能帮助我们克服理论挑战，并在寻找这种新力量方面取得进一步进展，”Aude Craik 说道。

编译自/scitechdaily