钙同位素跃迁异常研究或为第五基本力提供新物理线索

自然界的基本相互作用力传统上被确认为四种，然而，现有标准模型在解释暗物质等现象时显现出局限性。为探索超越现有框架的物理学，研究人员正密切关注是否存在第五种基本力的可能性，这一探索在2025年发表于《物理评论快报》的国际合作研究中获得了潜在的指示性证据。

这项前沿研究的核心在于对钙的多种同位素的原子跃迁现象进行精确测量。原子跃迁的特性与原子核结构，特别是其中所含中子数量，密切相关。根据标准模型的预测，当在“金氏图”（King plot）上绘制钙同位素（包括Ca-40、Ca-42、Ca-44、Ca-46和Ca-48）的跃迁位移时，这些数据点应呈现严格的线性关系。研究团队对这五种中子数范围从20个到28个不等的钙同位素进行了细致测量。

实验结果显示，这些跃迁数据在金氏图上出现了轻微的非线性偏离，这与标准模型的线性预测存在出入。尽管这种微小偏差理论上可能源于当前计算模型中尚未完全纳入的已知效应，但物理学家们将其视为一个初步信号，倾向于支持存在一种微弱的附加作用力，该力可能作用于电子和中子之间。这种假想的第五种力被认为是由一种玻色子介导的，理论上称为尤卡瓦粒子（Yukawa particle）。2025年的研究成果为这种假想介导粒子的强度和可能质量范围设定了迄今为止最严格的限制，其质量估计值落在大约10电子伏特每立方厘米到1000万电子伏特每立方厘米的区间内。

为进一步验证这一潜在的新物理迹象，由德国、瑞士和澳大利亚科学家组成的国际合作团队正于2026年初推进后续工作。他们目前正在对钙同位素进行第三个能级跃迁的测量，目标是构建一个三维版本的金氏图，以期能够确凿地证实或驳斥先前观察到的异常信号。钙元素在元素周期表中占据重要地位，已知钙同位素共有24种，其中稳定同位素包括Ca-40、Ca-42、Ca-43、Ca-44和Ca-46。

对这种潜在新力的探索，是物理学界超越标准模型的宏大叙事的一部分。例如，在粒子物理学的另一前沿领域，科学家们也在不断收紧对中微子质量的上限，如KATRIN实验已将中微子质量上限推至0.8电子伏特，低于1电子伏特这一关键阈值，这同样指向了超越现有粒子物理学框架的现象。此外，关于基本力的研究也与更宏观的宇宙学问题相关，如暗能量，尽管两者在强度和作用尺度上存在显著差异。

图卢兹保罗·萨巴蒂埃大学的荣誉教授兼IRAP-CNRS研究员何塞-菲利普·佩雷斯（José-Philippe Pérez）教授，此前曾就引力等基本力问题提供过专业见解。佩雷斯教授在物理学领域的研究背景，包括其在相对论和不变性等基础理论方面的著作，为当前对基础物理的深入探究提供了学术参考。