Физики из Германии, Швейцарии и Австралии сделали шаг к открытию пятой фундаментальной силы природы, исследуя взаимодействия внутри атомов на уровне, который ранее был недоступен для экспериментов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Пятая фундаментальная сила природы, возможно, существует
Исследователи из университетов Германии, Швейцарии и Австралии провели уникальный эксперимент с изотопами кальция и обнаружили возможные следы пятой фундаментальной силы природы. Их работа может изменить представления о взаимодействиях внутри атомов и вывести физику за пределы стандартной модели.
Атом. EzumeImages/Getty Images
Частица Юкавы — гипотетический переносчик ядерного взаимодействия, предложенный Хидэки Юкава в 1935 году для объяснения притяжения между нуклонами в ядре. Позже такой частицей оказался пион — мезон, масса которого примерно в 200 раз превышает массу электрона. Обмен этими частицами объясняет короткодействие сильных ядерных сил. В новой работе физики снова обратились к частице Юкавы, но наделили ее другими свойствами.
На сегодняшний день известно четыре фундаментальных силы: электромагнетизм, гравитация и две ядерные силы. Однако стандартная модель физики, описывающая эти взаимодействия, оставляет множество загадок: неясна природа темной материи, неизвестно, а гравитация до сих пор не вписывается в квантовую картину мира.
Атом.
В поисках новых объяснений физических явлений ученые обратились к гипотетической частице Юкавы, которая могла бы быть переносчиком неизвестной силы внутри ядер атомов. Если такая частица существует, она должна оказывать слабое влияние на взаимодействия между нейтронами и электронами. В отличие от предыдущих попыток обнаружить следы пятой силы на космических масштабах, исследователи сосредоточились на микромире — орбиталях электронов вокруг ядер пяти изотопов кальция в двух состояниях заряда.
След пятой силы
Атом кальция.
Электроны в атоме обычно удерживаются на своих орбиталях притяжением к положительно заряженному ядру. Однако если их «подтолкнуть», они могут перейти на более высокую орбиту. Время, за которое происходит этот переход, зависит от структуры ядра, то есть от числа нейтронов. Сравнивая эти переходы у разных изотопов, ученые строят график, который должен быть строго предсказуем в рамках стандартной модели. Если наблюдается отклонение, это может указывать на существование дополнительной, пока неизвестной силы взаимодействия между нейтронами и электронами.
В ходе эксперимента были измерены атомные переходы с высокой точностью, но в данных осталось небольшое «пространство» для возможного существования слабой, неописанной стандартной моделью силы, переносчиком которой могла бы быть частица с массой от 10 до 10 миллионов электрон-вольт (причем, вероятно, она ближе к нижней границе, чем к верхней).
Выявленная неоднозначность в расчетах, по мнению авторов, и является следом пятой силы. Но учебники переписывать пока рано, нужна еще большая работа по проверке этой гипотезы.