Вчені натрапили на сліди ще однієї сили природи

Усі взаємодії у фізиці підпорядковуються певним формам відштовхування або притягання. Наскільки нам відомо, усі вони належать до чотирьох відомих категорій: електромагнетизм, гравітація та дві ядерні сили — сильна й слабка. Однак, цілком можливо, що в глибинах мікроскопічної динаміки частинок приховуються нові сили, настільки тонкі, що їх досі не вдавалось виявити безпосередньо.

Фізики з Німеччини, Швейцарії та Австралії встановили нові обмеження на те, де саме може “ховатися” одна з таких потенційних п’ятих сил — у ядрах атомів, у вигляді слабкої взаємодії між електронами та нейтронами.

Прогалини в Стандартній моделі

Хоча Стандартна модель фізики добре пояснює космічні та квантові явища, у ній все ж залишаються суттєві прогалини, які не дають спокою науковцям.

Наприклад:

• Темна матерія досі залишається недосяжною для безпосереднього спостереження.
• Не зрозуміло, чому після Великого вибуху саме звичайна матерія почала домінувати у Всесвіті.
• Гравітація — найслабша з відомих сил — так і не має задовільної квантової теорії, яка пояснювала б її поведінку на мікрорівні.

Ймовірна сила Юкави

Одним із можливих пояснень є гіпотетична частинка Юкави — передавач (медіатор) нової сили, яка може діяти всередині атомного ядра. Якщо вона існує, то могла б впливати на взаємодію між частинками в ядрі і навіть на взаємодію з електронами.

На відміну від спроб виявити наслідки цієї сили у масштабах Всесвіту, нове дослідження зосередилось на локальних взаємодіях в електронних оболонках навколо атомних ядер — зокрема, у чотирьох різних ізотопах кальцію.

Перехід електронів як ключ

Електрони утримуються поблизу ядра завдяки електростатичному притяганню до позитивно заряджених протонів. Якщо надати електрону додаткову енергію, він переходить на вищий енергетичний рівень — це явище називається атомним переходом.

Час і характер такого стрибка залежить від структури ядра, тобто — від кількості нейтронів.
Коли ці варіації переходів систематизують, утворюється графік Кінга (King plot) — який, за Стандартною моделлю, повинен мати передбачувану форму. Але будь-яке відхилення від цієї закономірності може свідчити про дію додаткової, слабкої сили — можливо, саме тієї, що зумовлена частинкою Юкави.

Результати: нові межі пошуку

Використовуючи п’ять ізотопів кальцію у двох різних іонізованих станах, дослідники виміряли атомні переходи з надзвичайною точністю. Їхні дані залишають невелике, але реальне “вікно” для існування ще невідомої сили, що передається частинкою з масою в діапазоні від 10 до 10 мільйонів електронвольт.

Хоч відхилення в результатах і не дають однозначної відповіді, переважна частина аномалій може бути пов’язана з одним єдиним фактором — і це, ймовірно, вказує на сліди п’ятої сили.

Що далі?

Для підтвердження гіпотези потрібні:

• додаткові експерименти,
• покращені розрахунки,
• порівняння з моделями відомої фізики.

Дослідники вже мають краще уявлення, де і як шукати, і це може стати важливим кроком до виходу за межі Стандартної моделі Джерело дослідження: Physical Review Letters.