Vật Lý Quan Sát Dấu Hiệu Lực Thứ Năm Tiềm Năng Qua Chuyển Mạch Đồng Vị Canxi

Lực hấp dẫn là một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên, duy trì sự ổn định của vật chất. Trong nỗ lực mở rộng Mô hình Chuẩn của vật lý, vốn được coi là chưa hoàn chỉnh do không giải thích được bản chất của vật chất tối, các nhà vật lý đang thăm dò khả năng tồn tại của một lực cơ bản thứ năm. Hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn đã xuất hiện thông qua công trình quốc tế được công bố trên tạp chí Physical Review Letters vào năm 2025, mang đến những manh mối tiềm năng về sự tồn tại của tương tác bổ sung này.

Nghiên cứu tập trung vào các chuyển đổi nguyên tử của các đồng vị canxi, một quá trình trong đó các electron hấp thụ năng lượng để chuyển lên quỹ đạo cao hơn trước khi phát xạ năng lượng khi trở về trạng thái ban đầu. Bản chất của các chuyển đổi này phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc hạt nhân, cụ thể là số lượng neutron. Các nhà nghiên cứu đã đo lường các chuyển đổi này trên năm đồng vị canxi—Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46, và Ca-48—với số neutron dao động từ 20 đến 28.

Mô hình Chuẩn dự đoán rằng độ dịch chuyển chuyển đổi giữa các đồng vị canxi này, khi được vẽ trên biểu đồ King, sẽ tuân theo một mối quan hệ tuyến tính. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận một độ lệch phi tuyến tính nhỏ so với dự đoán này. Mặc dù độ lệch này có thể bắt nguồn từ các hiệu ứng đã biết mà các tính toán hiện tại chưa tính đến, các nhà vật lý coi đây là dấu hiệu ban đầu ủng hộ một lực bổ sung yếu tác động giữa các electron và neutron.

Các phép đo cực kỳ chính xác, đạt độ chính xác tới 100 millihertz, đã được thực hiện bằng cách bẫy hai đồng vị cùng một lúc trong bẫy ion. Lực giả định này, nếu tồn tại, được cho là được truyền tải bởi một hạt boson, được chỉ định là hạt Yukawa. Nghiên cứu năm 2025 đã thiết lập giới hạn ràng buộc chặt chẽ nhất cho đến nay về cường độ và khối lượng có thể có của hạt truyền tải này, với ước tính khối lượng nằm trong khoảng từ khoảng 10 đến 10 triệu electronvolt (eV/c²). Khối lượng của hạt truyền tải lực này, nếu có, nằm trong phạm vi mà các thí nghiệm trước đây khó có thể phát hiện được.

Đầu năm 2026, nhóm nghiên cứu quốc tế, bao gồm các nhà khoa học từ Đức, Thụy Sĩ và Úc, đang tiếp tục tinh chỉnh cuộc tìm kiếm. Họ hiện đang đo một chuyển đổi năng lượng thứ ba trên các đồng vị canxi để xây dựng một phiên bản ba chiều của biểu đồ King. Sự hợp tác này bao gồm các nhóm nghiên cứu từ QuantumFrontiers và DQ-mat, với các nhà khoa học như Alexander Wilzewski, Andrey Surzhykov và Elina Fuchs tham gia. Việc mở rộng biểu đồ King thành không gian ba chiều sẽ cung cấp thêm độ phân giải để phân biệt giữa các hiệu ứng hạt nhân phức tạp và dấu hiệu của một lực cơ bản mới, nhằm đặt ra các giới hạn mới về khối lượng và điện tích của hạt giả định mang lực này.