Fizycy Badają Anomalie Izotopów Wapnia w Poszukiwaniu Piątej Siły Natury

Grawitacja, jedna z czterech fundamentalnych oddziaływań natury, nie jest jedynym obszarem zainteresowania fizyki cząsteczkowej, której Model Standardowy pozostaje niekompletny, między innymi z powodu braku wyjaśnienia dla ciemnej materii. W rezultacie, poszukiwania nowej fizyki koncentrują się na potencjalnym istnieniu piątej siły. Międzynarodowe prace opublikowane w periodyku Physical Review Letters w 2025 roku dostarczyły intrygujących poszlak w tym zakresie.

Badania te skupiły się na analizie przejść atomowych w izotopach wapnia, procesie polegającym na absorpcji energii przez elektrony, co prowadzi do ich przeskoku na wyższe orbity, a następnie powrotu do stanu wyjściowego z emisją energii. Charakter tych przejść jest ściśle zależny od struktury jądra atomowego, a konkretnie od liczby neutronów, która różnicuje poszczególne odmiany pierwiastka. Naukowcy przeanalizowali pięć stabilnych, pojedynczo ładowanych izotopów wapnia: Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46 i Ca-48, które posiadają od 20 do 28 neutronów. Zgodnie z przewidywaniami Modelu Standardowego, przesunięcie przejścia między tymi izotopami, naniesione na wykres znany jako „wykres Kinga”, powinno wykazywać relację liniową.

Po przeprowadzeniu pomiarów, badacze zaobserwowali subtelne, nieliniowe odchylenie od tej przewidywanej prostej. Choć anomalia ta może być wynikiem znanych efektów jądrowych, które nie zostały dotąd uwzględnione w obliczeniach, fizycy traktują ją jako wstępną przesłankę przemawiającą za istnieniem słabej, dodatkowej siły działającej między elektronami a neutronami. Ta hipotetyczna interakcja, jeśli istnieje, byłaby przenoszona przez bozon, oznaczany jako cząstka Yukawy. Badanie z 2025 roku ustaliło najciaśniejsze jak dotąd ograniczenie na intensywność i możliwą masę tej cząstki mediującej, szacując ją na zakres od około 10 do 10 milionów elektronowoltów na sekundę do kwadratu (eV/c²).

Na początku 2026 roku międzynarodowy zespół, w skład którego wchodzą naukowcy z Niemiec, Szwajcarii i Australii, kontynuuje poszukiwania, dążąc do potwierdzenia lub obalenia tych sygnałów nowej fizyki. Obecnie prowadzone są pomiary trzeciego przejścia energetycznego na izotopach wapnia, co umożliwi skonstruowanie trójwymiarowej wersji wykresu Kinga. Badacze z ETH Zurych, będący częścią tej inicjatywy, osiągnęli bezprecedensową dokładność pomiaru przesunięć poziomów energii na poziomie 100 miliherców, co jest sto razy precyzyjniejsze niż najlepsze wcześniejsze osiągnięcia, dzięki jednoczesnemu uwięzieniu dwóch izotopów w pułapce jonowej. Ten nowy poziom precyzji jest kluczowy dla rozróżnienia między subtelnymi efektami Modelu Standardowego a sygnałami zjawisk spoza niego, co może otworzyć nowy rozdział w fizyce cząsteczkowej. Podobne poszukiwania dowodów na piątą siłę prowadzono również poprzez analizę orbit asteroid, jednak obecna metoda w jądrach atomów wapnia oferuje bardziej bezpośrednie ograniczenia dla hipotetycznej cząstki przenoszącej siłę.