Anomalie bei Calcium-Isotopenübergängen als möglicher Hinweis auf fünfte fundamentale Kraft

Die moderne Physik betrachtet das Standardmodell als unvollständig, insbesondere da es Phänomene wie die Dunkle Materie nicht erklären kann. Diese Lücke motiviert die Suche nach Erweiterungen, wobei die Existenz einer fünften fundamentalen Wechselwirkung ein zentraler Ansatzpunkt ist. Jüngste internationale Forschungsergebnisse, publiziert im Jahr 2025 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters, liefern nun potenzielle Indizien für eine solche neue Kraft.

Die Untersuchung konzentrierte sich auf die atomaren Übergänge von Calciumisotopen, bei denen Elektronen nach Energieaufnahme in höhere Orbitalzustände wechseln und durch Emission in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Die Charakteristik dieser Übergänge wird maßgeblich durch die Struktur des Atomkerns bestimmt. Die Forscher analysierten die Übergangsverschiebungen über fünf stabile, geradzahlige Calciumisotope: Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46 und Ca-48, deren Neutronenzahlen von 20 bis 28 reichen. Messungen, durchgeführt von internationalen Teams aus Deutschland, der Schweiz und Australien, zeigten eine subtile, nichtlineare Abweichung von der erwarteten Geradlinigkeit in einem sogenannten „King-Plot“.

Diese Abweichung wurde mit einer Signifikanz von etwa 103 Sigma beobachtet. Obwohl sie theoretisch durch bisher unberücksichtigte bekannte Effekte erklärbar wäre, wird sie von Physikern als erste mögliche Spur einer schwachen zusätzlichen Kraft gewertet, die zwischen Elektronen und Neutronen wirkt. Die Forscher konnten die Energielevel-Verschiebungen dieser Isotope mit einer Genauigkeit von 100 Millihertz bestimmen, was eine hundertfache Präzisionssteigerung gegenüber früheren Messungen darstellt. Professor Emeritus José-Philippe Pérez von der Universität Paul Sabatier in Toulouse war an den Diskussionen um fundamentale Kräfte beteiligt, zu denen auch diese Analyse zählt.

Diese hypothetische Kraft würde durch ein Austauschboson, ein sogenanntes Yukawa-Teilchen, vermittelt. Die Studienergebnisse von 2025 legten die bisher strengsten Einschränkungen für die Intensität und die mögliche Masse dieses vermittelnden Teilchens fest, wobei Masseschätzungen im Bereich von ungefähr 10 Elektronenvolt bis 10 Millionen Elektronenvolt (eV/c²) liegen. Theoretische Arbeiten, unter anderem von Gruppen um Andrey Surzhykov, sind essenziell, um diese Ergebnisse von Effekten höherer Ordnung des Standardmodells abzugrenzen.

Um diese ersten Anzeichen zu erhärten oder zu widerlegen, arbeitet das internationale Konsortium Anfang 2026 an der Verfeinerung der Suche. Aktuell misst das Team eine dritte Energieübergangsfrequenz an den Calciumisotopen, um den zweidimensionalen King-Plot in ein dreidimensionales Diagramm zu überführen. Diese Erweiterung soll die Signale neuer Physik bestätigen oder ausschließen. Forscher wie Piet Schmidt, Alexander Wilzewski und Elina Fuchs waren an den experimentellen Messungen und der Ableitung der Grenzen für diese fünfte Kraft beteiligt, welche als Erweiterung des Standardmodells gilt.