科學家們正在尖端實驗中使用捕獲離子來尋找可能有助于解開暗物質之謎的未被發現的粒子的跡象。粒子物理學的標準模型對構成所有可見物質的基本成分，包括構成我們自身和周圍一切的粒子，提供了極其精確的描述。它還定義了支配這些基本粒子之間相互作用的基本力。

物理學家正在利用對鈣原子的超精確測量來探究第五種基本力的可能性，從而突破標準模型的界限。通過比較同位素中細微的能量變化，研究人員希望發現新的物理跡象，從而有助于解釋宇宙隱藏的質量。

蘇黎世聯邦理工學院物理學教授戴安娜·普拉多·洛佩斯·奧德·克雷克表示：“標準模型目前是對宇宙的最佳解釋，但我們知道它無法解釋一切。”她指出，暗物質是“當今物理學最大的謎團之一”的一個例子。

天文學觀測表明，我們所能探測到的可見物質并不能完全解釋星系的旋轉方式。正因如此，物理學家認為宇宙的大部分質量是由一種未知的物質構成的。這促使人們探索能夠超越標準模型現有解釋范圍的理論。

一些主流觀點提出了一種新的第五種自然力，與已知的四種基本力（引力、電磁力、強核力和弱核力）相輔相成。一種可能性是，原子核中的中子與周圍電子云中的電子之間存在一種此前未知的力。這種假設的力可能由一種新的粒子傳遞，其方式類似于光子傳遞電磁力的方式。

精確測量原子

長期以來，研究人員一直利用粒子加速器（例如日內瓦歐洲核子研究中心的加速器）進行實驗，以尋找超越標準模型的新粒子。奧德·克雷克和她在蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所喬納森·霍姆教授研究小組的同事們則采取了不同的方法。

“作為原子物理學家，我們可以以極高的精度測量原子，”她解釋道。“因此，我們的想法是利用精密原子光譜來尋找中子和電子之間的這種新作用力。” 這個位于蘇黎世的團隊正在與德國和澳大利亞的研究小組合作開展這個項目。

“如果這種力確實存在于原子中，那么它的強度與原子核中的中子數量成正比，”研究團隊的博士生盧卡·胡貝爾（Luca Huber）解釋道。“這就是我們用同位素進行實驗來探測這種假設力的原因。”

同位素是同一原子的不同類型，僅在原子核中中子的數量上有所不同。這意味著同位素具有相同數量的質子和電子，因此在化學上是相同的，但它們各自的質量不同。

因此，由于中子數量的不同，不同同位素中電子所受的總力應該會略有不同。這可以通過檢查電子在原子內移動的能級來測量。具體來說，研究人員預計這種新的力會導致不同同位素之間能級的輕微變化。

在精密離子阱中研究鈣同位素

“為了確定這些能量變化，我們測量了同位素在兩個能級之間轉換時發出的光的頻率，”奧德·克雷克解釋道。

這種測量需要離子阱，電磁場將單個帶電同位素固定在離子阱中，然后用激光將其激發到更高的能態。具體來說，研究人員在實驗中使用了五種穩定的單電荷鈣同位素。每種同位素含有20個質子，但中子數量在20到28個之間。在實驗室中，研究人員能夠以100毫赫茲的精度測定這些同位素的能級變化，這比之前最好的測量方法精確了一百倍。但他們是如何做到這一點的呢？

“我們同時在離子阱中捕獲兩種同位素，并同時進行測量，”Huber 解釋道。這使得他們能夠大幅降低頻率測量過程中的干擾噪聲。

然而，盡管精度如此之高，仍需要進一步的實驗來推進新物理學的研究。蘇黎世的研究團隊用單電荷鈣同位素進行實驗，而德國布倫瑞克聯邦物理技術研究院 (PTB) 的皮特·施密特 (Piet Schmidt) 領導的研究小組則使用了相同的同位素，但處于多電荷狀態。

德國研究小組測量了這些高電荷鈣離子的另一種躍遷，其精度與蘇黎世團隊相似。由海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的克勞斯·布勞姆領導的第三個研究小組，以極高的精度測量了這些同位素之間的核質量比。

確定了更精確的約束

為了正確解釋這一結果，德國和澳大利亞的其他研究團隊進行了精確計算。他們的結果表明，已知的核效應只能解釋部分偏差。另一個可能的原因是核極化，這是一種由電子引起的原子核變形，迄今為止研究甚少。其復雜的計算表明，核極化可能足夠大，足以在標準模型的范圍內解釋測量到的非線性。

“我們不能說我們在這里發現了新的物理學，”奧德·克雷克強調道。“然而，我們最多知道這種新作用力的強度，因為即使存在不確定性，我們也能通過測量觀察到它。” 研究人員現在可以設定傳遞這種新作用力的假設粒子的質量和電荷的可能值范圍。

研究人員目前正在努力進一步提高研究結果的準確性。“我們目前正在測量鈣同位素中的第三次能量躍遷，”Huber 說道，“而且精度比以前更高。” 由此，他們旨在將 King 圖從二維擴展為三維圖。“我們希望這能幫助我們克服理論挑戰，并在尋找這種新力量方面取得進一步進展，”Aude Craik 說道。

編譯自/scitechdaily