Undersøgelse strammer kong plot-baserede begrænsninger for hypotetisk femte styrke

Mens standardmodellen (SM) beskriver alle kendte grundlæggende partikler og mange af interaktionerne mellem dem, undlader den at forklare mørkt stof, mørk energi og den tilsyneladende asymmetri mellem stof og antimaterie i universet. I løbet af de sidste årtier har fysikere således introduceret forskellige rammer og metoder til at studere fysik ud over SM, hvoraf den ene er kendt som King Plot.

King Plot er en grafisk teknik, der bruges til at analysere isotopskift, variationer i energiniveauet for forskellige isotoper (f.eks. Atomer af det samme element, der indeholder et andet antal neutroner). Dette grafiske værktøj har vist sig at være lovende for at adskille effekter forklaret af SM fra signaler, der er knyttet til ny fysik.

Forskere ved Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Max Planck Institute for Nuclear Physics, og ETH Zürich indsamlede for nylig nye målinger, der strammede King-plot-baserede begrænsninger på egenskaberne for en hypotetisk partikel, der endnu ikke er observeret, kendt som en ååå-type boson.

Deres papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbrevefremhæver yderligere potentialet ved isotopskiftspektroskopi og King Plot -teknikken til test af partikelfysikteorier og søgning efter fysik uden for SM.

“Tilbage i 2015 udførte min gruppe isotopskiftmålinger på brede, dipol-tilladte overgange i CA⁺ Med 100 kHz usikkerhed ved hjælp af en ny teknik (Photon Recoil -spektroskopi), som vi havde udviklet tidligere, “fortalte Piet O. Schmidt, seniorforfatter af The Paper, til LektieForum.

“Et par år senere blev disse data brugt af et samarbejde ved Weizmann Institute i Israel til at sætte grænser på en hypotetisk femte styrke. Det var tydeligt, at grænserne kunne forbedres markant ved hjælp af smalle overgange i calciumisotoper, især når man kombinerede overgange fra forskellige ladningsstater.

“José Crespo og hans gruppe udførte de første målinger i EBIT på CA¹⁴⁺ og bestemte følsomheden over for ny fysik, der hjalp min gruppe med at finde overgange ved hjælp af kvantelogikspektroskopi og måle isotopskiftet ned til 100 MHz -niveauet. “

I 2023 udførte omkring samme tid som Crespo og hans forskerteam de første målinger af CA¹⁴⁺ Inde i en elektronstråle -ionfælde lærte Schmidt og hans kolleger om indsatsen fra et andet hold ledet af Diana Aude Craik, der involverede forskere i Jonathan Home’s Group hos ETH.

Craik gjorde målet om isotopskift af CA⁺ Urovergang (dvs. udførelse af mere præcise målinger af dette isotopskift i fem isotoper på en specifik optisk overgang, der typisk er gearet til at udvikle optiske atomur).

“Ved co-fanger isotoppar udførte vi en direkte, differentiel måling af isotopskiftet, hvilket eliminerede de vigtigste kilder til eksperimentel støj, der påvirker begge ioner, for at forbedre målepræcisionen med to størrelsesordener,” forklarede Luca Huber, en kandidatstuderende ved ETH, der er en af ​​co-First-forfatterne til undersøgelsen.

“Dette var første gang, at en ikke -linearitet blev set i en calciumking -plot,” tilføjede Craik.

“King -plot var tidligere blevet foretaget i calcium, selv ned til ca. 10 Hz målepræcision. Vores gruppe ved ETH forbedrede målepræcisionen af ​​overgangen i CA⁺ til 100 MHz, og Piets gruppe opnåede en lignende præcision i CA¹⁴⁺. Dette kombineret med Klaus Blaums forbedring af præcisionen af ​​nukleare masseforhold gjorde det muligt for os at lave et sub-Hz King-plot, som til sidst afslørede ikke-lineariteten. “

I et tidligere papir, der blev offentliggjort i 2017, anvendte Fuchs isotopskiftspektroskopi til at etablere grænser for en hypotetisk femte styrke (dvs. en ny grundlæggende interaktion mellem partikler, der endnu ikke er kendt).

Som en del af deres nylige undersøgelse etablerede Schmidt og Fuchs et nyt samarbejde, der involverede CRAIK og forskellige andre eksperter inden for forskellige fysikområder, herunder præcisionsoptiske spektroskopi og massespektrometri, atom- og nukleær strukturteori og højenergifysik, med det formål at yderligere stramme begrænsninger på denne femte hypotetiske kraft.

“Vi bad Craik om at deltage i vores samarbejde og havde allerede kontaktet Klaus Blaum om en forbedret måling af de nukleare masser, da vi vidste, at vi ellers ville være begrænset af deres usikkerhed,” sagde Schmidt.

“Elina Fuchs fra Leibniz University i Hannover tog føringen i fortolkningen af ​​dataene i form af et ekskluderingsplot og koordinerede konsortiet, der blev suppleret af andre teorikolleger, der arbejdede med atom- og nuklear strukturberegninger af højere orden standardmodeleffekter.”

Som en del af deres nye samarbejde kombinerede Schmidt og hans kolleger deres målinger af isotopskift af CA⁺ og CA¹⁴⁺ urovergange. Isotopskiftet af en overgang afhænger af to nøglefaktorer, nemlig forskelle i fordelingen af ​​nuklear ladning og forskelle i nuklear masse.

“Afhængigheden af ​​ændringen i nuklear størrelse kan fjernes ved at måle to overgange,” forklarede Fuchs.

“Dette resulterer i en lineær afhængighed mellem den masse-normaliserede isotopskift af de to overgange, kaldet et konge-plot. En hypotetisk femte kraft ville bryde denne linearitet, men det ville også standardmodellen for højere orden. Vi har observeret en ikke-linearitet på mere end 1000 standardafvigelser.

“Meget nøjagtige beregninger af den anden orden masseskift gjorde det muligt for os at trække dets bidrag. Teoriestimater indikerer, at den store resterende ikke -linearitet kunne være forårsaget af nuklear polariserbarhed, som i øjeblikket ikke kan beregnes med høj nøjagtighed.”

De nye målinger, der udføres af samarbejdet, kan hjælpe med at forbedre nukleare modeller af en effekt kendt som nuklear polariserbarhed, hvilket indebærer forvrængningen af ​​en atomkerne ved elektromagnetiske felter. Desuden var forskerne i stand til at tilføje en tredje overgang til King -plottet, der tidligere var blevet målt af forskellige forskningsgrupper ved 6 til 20 Hz præcision. Dette indsnævrede parameterrummet for interaktioner af Yukawa-type, som kunne være en hypotetisk femte kraft.

“Ved at tilføje en tredje overgang til King Plot, kunne vi fjerne yderligere standardmodelbidrag og opnå den strengeste King-plot-baserede bundet af eksistensen af ​​en femte kraftkoblingsneutroner til elektroner,” sagde Fuchs.

“Vores undersøgelse har skinnet lys over vigtigheden af ​​den nukleare polariserbarhed som et betydeligt bidrag til isotopmålinger med høj nøjagtighed.”

Forskerne håber, at deres undersøgelse vil inspirere til nye nukleare fysikundersøgelser med fokus på nuklear polariserbarhed, hvilket yderligere kan berige den nuværende forståelse af nuklear fysik. I mellemtiden planlægger de at udføre stadig mere præcise spektroskopimålinger, der kunne sætte endnu strengere King-plot-baserede begrænsninger på en mulig femte styrke ud over SM.

Craik og hendes kolleger ved ETH måler nu den tredje overgang, der er inkluderet i analysen med højere nøjagtighed, med det formål at en præcision på 10 MHz. Denne måling kunne bane vejen for endnu mere målrettede søgninger efter interaktioner ud over SM.

“Denne måling vil hjælpe os med at afgøre, om det nukleare polariserbarhedsbidrag kan” indarbejdes “ved at gøre et højere dimensionelt konge-plot med flere overgange,” sagde Craik.

“Hvis vi finder ud af, at dette bidrag kan elimineres ved eksperiment alene, ville udfordringerne ved at beregne denne nukleare virkning ikke længere forhindre os i at skubbe den nye fysiske følsomhed af isotop-skift-spektroskopi til uudforsket faseplads.”