Физики исследуют аномалии переходов изотопов кальция в поисках пятой фундаментальной силы

Гравитация остается одной из четырех признанных фундаментальных сил природы, однако Стандартная модель физики, описывающая известные взаимодействия, остается неполной, в частности, из-за неспособности объяснить природу темной материи. В стремлении расширить эту модель ученые активно исследуют гипотезу о существовании пятой фундаментальной силы. Международная группа исследователей из Германии, Швейцарии и Австралии представила потенциальные указания на такую силу в работе, опубликованной в 2025 году в журнале Physical Review Letters.

Исследование сфокусировалось на тонкостях атомных переходов в изотопах кальция. Этот процесс включает поглощение электронами энергии для перехода на более высокие орбитали с последующим возвращением в исходное состояние с излучением энергии. Характеристики этих переходов напрямую зависят от структуры атомного ядра, в частности, от числа нейтронов. Стандартная модель предсказывает, что при построении так называемой «диаграммы Кинга» (King plot) сдвиги переходов для пяти изотопов кальция — Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46 и Ca-48 — должны демонстрировать строго линейную зависимость.

Анализируя эти переходы для изотопов с числом нейтронов от 20 до 28, ученые зафиксировали незначительное, но отчетливое отклонение от предсказанной линейности. Хотя такое расхождение может быть объяснено известными, но пока не учтенными в расчетах эффектами, физики рассматривают это как первый экспериментальный намек на слабое дополнительное взаимодействие, действующее между электронами и нейтронами в ядре. Это гипотетическое взаимодействие, если оно существует, должно переноситься безмассовой или маломассивной частицей, известной как бозон Юкавы.

Результаты исследования 2025 года установили наиболее строгие на текущий момент ограничения на возможную массу и интенсивность этого переносчика, оценивая массу в диапазоне от приблизительно 10 до 10 миллионов электронвольт (эВ/c²). Ранее профессор Эмерит Университета Поля Сабатье в Тулузе и исследователь IRAP-CNRS, Жозе-Филипп Перес, высказывался о природе гравитации, подчеркивая продолжающийся поиск новых фундаментальных взаимодействий.

В начале 2026 года международная коллаборация продолжает углублять свои изыскания. Текущая фаза эксперимента направлена на измерение третьего энергетического перехода в тех же изотопах кальция. Это позволит построить трехмерную версию диаграммы Кинга, что является критически важным шагом для окончательного подтверждения или опровержения этих признаков новой физики. Подтверждение пятой силы может дать ключ к разгадке таких фундаментальных загадок Вселенной, как природа темной материи и отсутствие антиматерии. Природный кальций состоит из шести изотопов, пять из которых стабильны (Ca-40 с распространенностью 96,941%, Ca-42, Ca-43, Ca-44, Ca-46) и один нестабильный (Ca-48 с периодом полураспада 5,6⋅10¹⁹ лет).