Μια σειρά από ακριβείς μετρήσεις σε άτομα ασβεστίου, που πραγματοποίησαν ερευνητές στο ETH Zurich σε συνεργασία με ομάδες από τη Γερμανία και την Αυστραλία, άνοιξε ένα μικρό αλλά σημαντικό παράθυρο σε ένα ενδεχόμενο πέρα από το γνωστό επιστημονικό πλαίσιο. Οι επιστήμονες δεν δηλώνουν ακόμα ότι βρήκαν «νέα φυσική», ωστόσο τα δεδομένα τους ενισχύουν την υπόθεση ότι ενδέχεται να υπάρχει μια πέμπτη θεμελιώδης δύναμη στη φύση, μια δύναμη που ίσως μπορεί να μας βοηθήσει να εξηγήσουμε φαινόμενα όπως η Σκοτεινή Ύλη, η οποία αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας του Σύμπαντος.
Η υπάρχουσα θεωρία που χρησιμοποιείται για την κατανόηση των θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων, το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model), έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα επιτυχής. Παρ’ όλα αυτά, έχει σαφή όρια. Δεν μπορεί, για παράδειγμα, να εξηγήσει τι είναι η Σκοτεινή Ύλη ή γιατί το Σύμπαν περιέχει τόσο περισσότερη ύλη από αντιύλη. Σε αυτό το πλαίσιο, έχει προταθεί από θεωρητικούς φυσικούς ότι θα μπορούσε να υπάρχει μια άγνωστη, πέμπτη δύναμη, που ίσως μεταφέρεται μέσω κάποιου νέου σωματιδίου και επηρεάζει τη συμπεριφορά μεταξύ ηλεκτρονίων και νετρονίων.
Η ερευνητική ομάδα στο ETH Zurich εξέτασε αυτή την πιθανότητα μελετώντας μεταπτώσεις ηλεκτρονίων σε ιόντα ασβεστίου. Συγκεκριμένα, επικεντρώθηκαν σε δύο μεταπτώσεις: την ³P₀ → ³P₁ στο Ca¹⁴⁺ και την ²S₁/₂ → ²D₅/₂ στο Ca⁺, μετρώντας τις σε πέντε σταθερά ισότοπα ασβεστίου (Ca⁴⁰, Ca⁴², Ca⁴⁴, Ca⁴⁶ και Ca⁴⁸). Παρόλο που όλα έχουν 20 πρωτόνια, διαφέρουν στον αριθμό νετρονίων, γεγονός που επηρεάζει ελαφρώς τη συχνότητα των μεταπτώσεων. Αυτές οι διαφορές, γνωστές ως «μετατοπίσεις ισοτόπων» (isotope shifts), μετρήθηκαν με ακρίβεια που φτάνει τα 100 millihertz, χάρη σε ένα έξυπνο πείραμα όπου παγιδεύτηκαν ταυτόχρονα δύο ισότοπα στο ίδιο πεδίο ιοντικής παγίδευσης. Ο Luca Huber, διδακτορικός φοιτητής και μέλος της ερευνητικής ομάδας, εξήγησε ότι αυτός ο διπλός εγκλωβισμός βοήθησε στην εξάλειψη θορύβου από το σύστημα, επιτρέποντας ακριβέστατες μετρήσεις.
Παράλληλα, άλλες ερευνητικές ομάδες πραγματοποίησαν μετρήσεις σε ιόντα ασβεστίου με υψηλή ηλεκτρική φόρτιση και υπολόγισαν με ακραία ακρίβεια τις μάζες των πυρήνων τους, με αβεβαιότητα μικρότερη από 4 × 10⁻¹¹. Ο συνδυασμός όλων αυτών των δεδομένων επέτρεψε την κατασκευή του λεγόμενου King plot, ενός γραφήματος που, εφόσον η φύση ακολουθεί τους γνωστούς νόμους, εμφανίζει ευθυγραμμισμένα σημεία. Ωστόσο, αυτή τη φορά, τα δεδομένα αποκάλυψαν μια καμπύλη, μια «μη γραμμικότητα» με στατιστική σημασία περίπου 1000 σ, ένα αποτέλεσμα τόσο ακραίο που δεν μπορεί να αποδοθεί σε απλή στατιστική απόκλιση.
Η καθηγήτρια φυσικής στο ETH Zurich, Diana Prado Lopes Aude Craik, εξηγεί ότι η καμπύλωση των σημείων δείχνει ότι κάτι πέρα από την υπάρχουσα φυσική μπορεί να συμβαίνει. Εξετάζοντας πιθανές εξηγήσεις, η ομάδα κατέληξε ότι ο μεγαλύτερος γνωστός παράγοντας, η δευτερεύουσα μετατόπιση μάζας, δεν αρκεί για να εξηγήσει τη διαφορά. Η μόνη γνωστή επίδραση που ίσως φτάνει σε τέτοιο επίπεδο είναι η λεγόμενη πυρηνική πόλωση: μια ελαφριά διαμόρφωση του πυρήνα από τα γύρω ηλεκτρόνια. Αν και ακόμα ελάχιστα κατανοητή, ίσως αυτή να είναι το «χαμένο κομμάτι» του παζλ.
Παρότι τα αποτελέσματα δεν επιβεβαιώνουν επίσημα την ύπαρξη νέας δύναμης, ενισχύουν τον περιορισμό πιθανών θεωριών. Οι ερευνητές βελτίωσαν τα όρια σε μια υποθετική αλληλεπίδραση τύπου Yukawa, μια πιθανή νέα δύναμη που θα μπορούσε να μεταφέρεται μέσω άγνωστου μποζονίου. Οι μετρήσεις τους στένεψαν σημαντικά το εύρος πιθανών μαζών για ένα τέτοιο σωματίδιο, μεταξύ 10 eV/c² και 10⁷ eV/c².
Το επόμενο βήμα των ερευνητών είναι να μετρήσουν με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια μια τρίτη ηλεκτρονική μετάπτωση στο ασβέστιο, με στόχο την καλύτερη θεωρητική κατανόηση των φαινομένων που παρατηρήθηκαν. Όπως σημειώνει η Aude Craik, «ελπίζουμε ότι αυτό θα μας βοηθήσει να ξεπεράσουμε τα θεωρητικά εμπόδια και να προχωρήσουμε στην αναζήτηση αυτής της πιθανής νέας δύναμης».
Η έρευνα αυτή αποτελεί απόδειξη του πώς η ακραία ακριβεία στις μετρήσεις σε ατομικό επίπεδο μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για την ανακάλυψη νέων νόμων της φύσης. Ακόμη κι αν οι λεπτομέρειες είναι σύνθετες, η προοπτική να κατανοήσουμε βαθύτερα τη δομή του Σύμπαντος είναι συναρπαστική.
[via]
