Oamenii de știință caută a cincea forță a naturii cu „ioni capturați”

Cercetătorii folosesc „ioni capturați” în experimente de înaltă precizie pentru a căuta o posibilă a cincea forță a naturii, care ar putea ajuta la explicarea enigmaticei materii întunecate.

Materia întunecată, invizibilă și greu de detectat, este unul dintre cele mai mari mistere ale universului. Existența sa este confirmată doar prin efectele gravitaționale pe care le produce.

• Universul invizibil dezvăluie noi indicii despre materia întunecată
• De ce ni se pare că luna decembrie „vine mai devreme” în fiecare an?

Modelul Standard al fizicii a fost mult timp ghidul principal, descriind cu exactitate blocurile fundamentale ale materiei și forțele care le guvernează. Însă nu explică totul.

Fizicienii cred că cea mai mare parte din masa universului provine dintr-o formă necunoscută de materie. Pentru a o explica, experții au sugerat teoretic existența unei noi forțe fundamentale, pe lângă cele patru deja cunoscute: gravitația, electromagnetismul, forța nucleară tare și forța nucleară slabă.

Se presupune că o „a cincea forță” necunoscută ar putea acționa între neutronii din nucleul atomic și electronii care orbitează în jurul acestuia. Această forță ipotetică, dacă ar exista, ar fi transmisă de o particulă încă nedetectată.

Multă vreme, cercetările pentru descoperirea de noi particule s-au realizat în acceleratoare masive de particule, cum sunt cele de la CERN. Însă echipa de la ETH Zurich adoptă o altă abordare.

Patru forțe fundamentale deja cunoscute

„Fizicienii atomici pot măsura atomul cu o precizie extrem de mare. De aceea, ideea este să căutăm această forță nouă între neutron și electron folosind spectroscopie atomică de precizie,” a declarat profesoara Diana Prado Lopes Aude Craik, de la ETH Zurich.

Dacă această nouă forță există, intensitatea ei ar depinde de numărul de neutroni din nucleul atomic. Pentru a o detecta, echipa a realizat experimente cu izotopi – atomi ai aceluiași element cu același număr de protoni, dar număr diferit de neutroni.

Existența acestei noi forțe ar însemna că electronii din diverși izotopi ar simți forțe totale ușor diferite, ceea ce ar duce la deplasări minuscule ale nivelurilor de energie.

„Pentru a determina aceste deplasări de energie, măsurăm frecvența luminii emise când izotopii trec între două niveluri energetice,” a explicat Aude Craik. Pentru aceste măsurători este necesar un instrument ingenios: o capcană de ioni. Câmpurile electromagnetice țin nemișcat un izotop încărcat electric, în timp ce un laser îl excită.

Echipa din Zürich a folosit cinci izotopi stabili, cu sarcină unică, ai calciului, fiecare cu 20 de protoni, dar între 20 și 28 de neutroni. Cercetătorii au atins o precizie de 100 de milihertzi – de 100 de ori mai mare decât în măsurătorile anterioare ale acestor deplasări de energie, scrie InterestingEngineering.

Un instrument ingenios

Echipa de la ETH Zurich a utilizat o capcană de ioni care poate ține și măsura simultan doi izotopi de calciu încărcați cu o singură sarcină.

Căutarea nu s-a oprit aici. Experimente complementare din Germania au folosit ioni de calciu cu sarcină ridicată, iar un alt grup a măsurat cu mare precizie raporturile de masă nucleară ale acestor izotopi. Rezultatele arată că efectele nucleare cunoscute nu pot explica complet abaterile observate.

O altă explicație posibilă ar fi polarizarea nucleară – o deformare slab înțeleasă a nucleului atomic cauzată de interacțiunea cu electronii. „Nu putem afirma că am descoperit o nouă fizică. Totuși, știm cât de puternică ar putea fi această forță, pentru că, dacă era mai puternică, ar fi apărut în măsurătorile noastre – chiar și cu incertitudinile existente,” a adăugat Aude Craik.

Măsurătorile extrem de precise actuale permit limitarea caracteristicilor posibile (masă și sarcină electrică) ale particulei ipotetice care ar transmite această nouă forță. Cercetătorii își continuă lucrările, vizând o precizie și mai mare și dezvoltând o analiză tridimensională, pentru a depăși provocările teoretice.

Rezultatele au fost publicate în Physical Review Letters.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Oamenii de știință au găsit un „pod” de materie întunecată într-un roi galactic imens

Particulele ușoare de materie întunecată din apropierea centrului galactic ar putea explica trei mistere fizice deodată

Roci vechi de miliarde de ani ar putea ascunde materie întunecată, susțin oamenii de știință

Pământul este înconjurat de materie întunecată? Iată ce cred cercetătorii!