پژوهشگران دانشگاه ETH زوریخ به همراه تیم‌هایی از آلمان و استرالیا با استفاده از اتم‌های کلسیم به اندازه‌گیری‌هایی بی‌سابقه از نظر دقت دست یافتند که می‌تواند سرنخ‌هایی درباره نیروی پنجم طبیعت ارائه کند.
به گزارش تکناک، هرچند آنها هنوز مدعی کشف قوانین جدید فیزیکی نیستند، اما یافته‌های آنها مرزهای درک ما از جهان را به چالش می‌کشند و محدودیت‌های نظریه‌‌هایی را کاهش می‌دهند، که فراتر از مدل استاندارد هستند.
مدل استاندارد بهترین چارچوب فعلی برای توصیف ذرات و نیروها است، اما نمی‌تواند همه چیز را توضیح دهد؛ از جمله ماده تاریک که بخش عمده‌ای از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد. برخی نظریه‌ها فرض می‌کنند که ممکن است نیروی پنجم طبیعت در کار باشد، که به احتمال زیاد توسط ذره‌ای جدید منتقل می‌شود و بین الکترون‌ها و نوترون‌ها تعامل دارد.
پژوهشگران برای بررسی فرضیه نیروی پنجم طبیعت، به اختلافات بسیار کوچک در گذارهای اتمی موسوم به «شیفت ایزوتوپی» در یون‌های کلسیم توجه کردند. آنها دو گذار خاص را بررسی کردند، که شامل ³P₀ → ³P₁ در Ca¹⁴⁺ و ²S₁/₂ → ²D₅/₂ در Ca⁺ می‌شد. این گذارها در پنج ایزوتوپ پایدار کلسیم (Ca⁴⁰، Ca⁴²، Ca⁴⁴، Ca⁴⁶ و Ca⁴⁸) اندازه‌گیری شد، که همگی دارای ۲۰ پروتون با تعداد نوترون‌های متفاوتی هستند. دقت این اندازه‌گیری‌ها در حد زیر هرتز بود.
لوکا هابر، دانشجوی دکتری در این پروژه گفت: «ما دو ایزوتوپ را به صورت هم‌زمان در تله یونی نگه داشتیم و به‌طور هم‌زمان اندازه‌گیری کردیم»؛ روشی هوشمندانه که باعث حذف نویز شد و امکان اندازه‌گیری اختلافات فرکانسی تا حد ۱۰۰ میلی‌هرتز را فراهم کرد.
در همین حال، دیگر تیم‌ها نیز با اندازه‌گیری گذارها در یون‌های با بار بسیار بالا و محاسبه نسبت‌های جرمی هسته‌ای با دقتی فوق‌العاده (کمتر از ۴ × ۱۰⁻¹¹) به این پروژه کمک کردند. در نهایت، داده‌ها برای ساخت King Plot استفاده شدند. اگر همه چیز مطابق با فیزیک شناخته‌شده باشد، نقاط این نمودار باید روی یک خط مستقیم قرار گیرند. اما این بار چنین نبود.
پروفسور «دیانا پرادو لوپس اود کرایک» از ETH زوریخ توضیح داد: «ویژگی کلیدی نمودارهای King این است که اگر همه نقاط روی یک خط مستقیم قرار بگیرند، می‌توان آنها را با اثرات شناخته‌شده فیزیک هسته‌ای توضیح داد». با وجود این، داده‌ها یک انحنا و انحراف از خط مستقیم را نشان دادند که آمار معنی‌داری در حدود ۱۰³ سیگما داشت؛ یعنی فراتر از چیزی که بتوان آن را تصادفی دانست.
پژوهشگران محاسبات دقیقی انجام دادند و دریافتند که بزرگ‌ترین اثر شناخته‌شده در مدل استاندارد، یعنی «شیفت جرم مرتبه دوم»، برای توضیح این انحراف کافی نیست. تنها اثر باقی‌مانده که شاید بتواند آن را توضیح دهد، پدیده‌ای موسوم به «قطبش هسته‌ای» است؛ حالتی که در آن، هسته اتم تحت تأثیر الکترون‌های اطراف، اندکی تغییر شکل می‌دهد. این پدیده هنوز به‌خوبی شناخته نشده است، اما شاید همان حلقه گم‌شده باشد.
هرچند این نتایج هنوز فیزیک جدیدی را اثبات نمی‌کنند، اما محدودیت‌های موجود را به طور قابل توجهی دقیق‌تر کرده‌اند. تیم تحقیق با استفاده از داده‌های خود، محدودیت‌های نظریه‌ای موسوم به «برهم‌کنش یوکاوا» (Yukawa interaction) را بهبود بخشیدند؛ نوعی نیروی فرضی که می‌تواند توسط بوزونی جدید منتقل شود. این اندازه‌گیری‌ها، دامنه ممکن برای جرم این بوزون را در بازه‌ای بین ۱۰ الکترون‌ولت بر مجذور سرعت نور تا ۱۰⁷ محدود کردند.
این تیم در حال حاضر در تلاش است تا گذار سومی در اتم کلسیم را با دقتی بالاتر اندازه‌گیری کند. کرایک تصریح کرد: «امیدوار هستیم که این گام جدید بتواند چالش‌های نظری را برطرف کند و ما را در مسیر کشف این نیروی جدید پیش ببرد».
این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه روش‌های نوین و فوق دقیق مانند به‌دام‌اندازی یونی و تحلیل فرکانس می‌توانند مرزهای دانش ما از جهان را جابه‌جا کنند. حتی اگر با فیزیک ذرات آشنایی نداشته باشید، اما مشاهده اینکه چگونه آزمایش‌های اتمی می‌توانند فرضیه‌هایی درباره نیروها و ذرات جدید را نشان دهند، هیجان‌انگیز است.
