Ερευνητές στο ETH Zurich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich), μαζί με ομάδες από τη Γερμανία και την Αυστραλία, πραγματοποίησαν μερικές απίστευτα ακριβείς μετρήσεις χρησιμοποιώντας άτομα ασβεστίου - και τα αποτελέσματα μπορεί να υποδηλώνουν κάτι πέρα από αυτό που μπορεί να εξηγήσει η τρέχουσα φυσική. Ενώ δεν ισχυρίζονται ότι έχουν ανακαλύψει ακόμη νέα φυσική, το έργο τους ωθεί τα όρια αυτού που γνωρίζουμε και σφίγγει τα όρια στις θεωρίες που υπερβαίνουν το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι το καλύτερο πλαίσιο που έχουν οι επιστήμονες για την κατανόηση των σωματιδίων και των δυνάμεων, αλλά δεν καλύπτει τα πάντα, όπως η σκοτεινή ύλη, η οποία αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος. Ορισμένες θεωρίες υποδηλώνουν ότι θα μπορούσε να υπάρχει μια πέμπτη θεμελιώδης δύναμη, πιθανώς μεταφερόμενη από ένα νέο σωματίδιο, η οποία αλληλεπιδρά μεταξύ ηλεκτρονίων και νετρονίων. Για να δοκιμάσουν αυτήν την ιδέα, οι ερευνητές εξέτασαν μικροσκοπικές διαφορές στις ατομικές μεταβάσεις που ονομάζονται μετατοπίσεις ισοτόπων, σε ιόντα ασβεστίου.
Εστίασαν σε δύο συγκεκριμένες μεταβάσεις: ³P₀ → ³P₁ σε Ca¹⁴⁺ και ²S₁/₂ → ²D₅/₂ σε Ca⁺. Αυτές μετρήθηκαν σε πέντε σταθερά ισότοπα ασβεστίου (Ca⁴⁰, Ca⁴², Ca⁴⁴, Ca⁴⁶ και Ca⁴⁸), τα οποία έχουν όλα 20 πρωτόνια αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Η μέτρηση αυτών των μετατοπίσεων με ακρίβεια υπο-Hertz δεν είναι εύκολο κατόρθωμα. «Παγιδεύσαμε δύο ισότοπα ταυτόχρονα στην παγίδα ιόντων και τα μετρήσαμε μαζί», δήλωσε ο διδακτορικός φοιτητής Luca Huber. Αυτή η έξυπνη διάταξη βοήθησε στην ακύρωση του θορύβου και τους επέτρεψε να μετρήσουν διαφορές συχνότητας έως και 100 millihertz.
Εν τω μεταξύ, άλλες ομάδες βοήθησαν μετρώντας μεταβάσεις σε ιόντα ασβεστίου με υψηλό φορτίο και υπολογίζοντας τις αναλογίες πυρηνικής μάζας με απίστευτα μικρές αβεβαιότητες - λιγότερο από 4 × 10⁻¹¹. Όταν όλα αυτά τα δεδομένα συνδυάστηκαν, οι ερευνητές δημιούργησαν αυτό που ονομάζεται διάγραμμα King (KP). Κανονικά, αν όλα ακολουθούν τη γνωστή φυσική, τα σημεία δεδομένων σε ένα διάγραμμα King θα πρέπει να ευθυγραμμίζονται σωστά. Αλλά σε αυτήν την περίπτωση, δεν το έκαναν.
«Το βασικό με αυτά τα διαγράμματα King: αν όλα τα σημεία βρίσκονται σε μια ευθεία γραμμή, οι μετρούμενες τιμές μπορούν να εξηγηθούν από γνωστά φαινόμενα πυρηνικής φυσικής», δήλωσε η Diana Prado Lopes Aude Craik, καθηγήτρια φυσικής στο ETH Zurich. Αλλά τα δεδομένα έδειξαν μια σαφή καμπύλη, μια μη γραμμικότητα, με σημαντικότητα περίπου 10³ σ, η οποία είναι πολύ πέρα από αυτό που θα μπορούσε να αποδοθεί σε τυχαία σύμπτωση.
Τι προκαλεί, λοιπόν, αυτή την καμπύλη στο διάγραμμα; Η ομάδα πραγματοποίησε λεπτομερείς υπολογισμούς και διαπίστωσε ότι το μεγαλύτερο γνωστό φαινόμενο από το Καθιερωμένο Πρότυπο, η μετατόπιση μάζας δεύτερης τάξης, δεν ήταν αρκετό για να το εξηγήσει. Ο μόνος εναπομείνας γνωστός παράγοντας που μπορεί να είναι αρκετά ισχυρός είναι κάτι που ονομάζεται πυρηνική πόλωση. Αυτό συμβαίνει όταν ο πυρήνας ενός ατόμου παραμορφώνεται ελαφρώς από τα περιβάλλοντα ηλεκτρόνια. Δεν είναι καλά κατανοητό, αλλά θα μπορούσε να είναι το κομμάτι που λείπει.
Παρόλο που τα αποτελέσματα δεν επιβεβαιώνουν νέα φυσική, βοηθούν στην αυστηροποίηση των ορίων για το τι είναι δυνατό. Η ομάδα χρησιμοποίησε τα δεδομένα της για να βελτιώσει τους περιορισμούς σε μια υποθετική αλληλεπίδραση Yukawa, έναν τύπο δύναμης που θα μπορούσε να μεταφερθεί από ένα νέο μποζόνιο. Οι μετρήσεις τους περιόρισαν τις πιθανότητες για μάζες μποζονίων μεταξύ 10 eV/c² και 10⁷ eV/c².
Οι ερευνητές δεν σταματούν εδώ. Ήδη εργάζονται για τη μέτρηση μιας τρίτης μετάβασης στο ασβέστιο με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια. «Ελπίζουμε ότι αυτό θα μας βοηθήσει να ξεπεράσουμε τις θεωρητικές προκλήσεις και να σημειώσουμε περαιτέρω πρόοδο στην αναζήτηση αυτής της νέας δύναμης», δήλωσε η Aude Craik.
Αυτό είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς οι τεχνικές μέτρησης αιχμής, όπως η εξαιρετικά ακριβής παγίδευση ιόντων και η ανάλυση συχνότητας, μπορούν να διευρύνουν τα όρια των γνώσεών μας για το σύμπαν. Ακόμα κι αν δεν είστε βαθιά εξοικειωμένοι με τη σωματιδιακή φυσική, είναι συναρπαστικό να δείτε πώς τα πειράματα σε ατομικό επίπεδο μπορούν να βοηθήσουν στη δοκιμή μεγάλων ιδεών, όπως οι νέες δυνάμεις και τα σωματίδια.
Πηγή: ETH Zurich , Αμερικανική Φυσική Εταιρεία
