Når verdensledende hold går sammen, skal der foretages nye fund. Dette er, hvad der skete, når kvantefysikere fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) og Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) i Heidelberg kombinerede atom- og nuklear fysik med en hidtil uset nøjagtighed ved hjælp af to forskellige måleemetoder.
Sammen med nye beregninger af strukturen af atomkerner var teoretiske fysikere fra det tekniske universitet i Darmstadt og Leibniz University Hannover i stand til at vise, at målinger på elektronskalen i et atom kan give information om deformationen af atomkernen. På samme tid har præcisionsmålingerne sat nye grænser for styrken af en potentiel mørk kraft mellem neutroner og elektroner.
Resultaterne er blevet offentliggjort i den aktuelle udgave af tidsskriftet Fysiske gennemgangsbreve.
I næsten et århundrede har målinger indikeret, at en betydelig del af stoffer i universet består af ukendt mørk stof, der interagerer med synligt stof gennem gravitation. Det er uklart, om der også er nye, såkaldte “mørke kræfter”, der kan “kommunikere” med det synlige og mørke stof.
Sådanne kræfter bør også virke på atomer, som kan analyseres med høj præcision i dag. “Måling af skiftet i elektroniske resonanser i isotoper er en særlig kraftig metode til at kaste lys over samspillet mellem nuklear og elektronstruktur,” forklarer Tanja Mehlstäubler. Isotoper er forskellige varianter af et atomelement, der kun adskiller sig i antallet af neutroner i kernen.
I 2020 opdagede et team ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) en afvigelse fra det forventede resultat – en ikke -linearitet – mens der undersøgte sådanne isotopskift i elementet ytterbium. Denne sendte atomfysikere verden i en spin: kunne denne afvigelse være det første bevis på en ny “mørk kraft”, eller skyldes det egenskaberne ved atomkernen? Indtastede atomfysikere atomfysik gennem bagdøren ved at sammenligne overgangsfrekvenserne af elektroner målt i forskellige isotoper?
Drevet af dette spørgsmål begyndte Tanja Mehlstäubler fra PTB i Braunschweig og Klaus Blaum fra MPIK i Heidelberg at undersøge Ytterbium -isotopskift. Deres forskerteam udførte målinger med høj præcision af atomovergangsfrekvenser og isotopmasseforhold af Ytterbium-isotoper. Lineære højfrekvente ionfælder og ultra-stable lasersystemer blev anvendt til optisk spektroskopi ved PTB.
Ved MPIK blev isotopmasseforholdet bestemt i pentatrap -penning fælde massespektrometer. Begge målinger var op til hundrede gange mere nøjagtige end tidligere målinger af denne art.
Forskerne bekræftede anomalien, og teamet var i stand til at give en forklaring ved hjælp af nye nukleare teori -beregninger fra Achim Schwenks gruppe på Tu Darmstadt. I samarbejde med teoretiske atomfysikere fra MPIK i Heidelberg og University of New South Wales i Sydney såvel som partikelfysikere fra Leibniz University Hannover var de i stand til at oprette en ny grænse for eksistensen af mørke styrker.
Det internationale samarbejdsteam var endda i stand til at bruge disse data til at få direkte information om deformationen af atomkernen langs Ytterbium -isotopkæden. Dette kan give ny indsigt i strukturen af tunge atomkerner og ind i fysikken i neutronrig stof, der danner grundlaget for forståelse af neutronstjerner.
Denne forskning åbner nye muligheder for atom-, nuklear- og partikelfysik til at samarbejde i søgningen efter ny fysik og for at få en bedre forståelse af de komplekse fænomener, der bestemmer stofstrukturen.