Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики нашли следы темного бозона в спектрах изотопов иттербия

Ian Counts et al. / Physical review letters, 2020

Ученые нашли отклонение от Стандартной модели в крайне точном измерении энергетических уровней двух квадрупольных состояний в пяти изотопах иттербия. Такой результат указывает на существование еще не обнаруженного взаимодействия между нейтронами и электронами в атомах, а соответствующий этому взаимодействию бозон, в случае его открытия, может оказаться кандидатом на темную материю. Однако в журнале Physical Review Letters, где опубликована статья, одновременно вышла работа другой научной группы по аналогичному исследованию переходов в изотопах кальция, в которой физики не обнаружили расхождений между экспериментом и теорией.

Стандартная модель — общепризнанная теория, которая крайне точно описывает практически все измерения в физике элементарных частиц. Однако нет сомнений в том, что эта теория неполна: существует множество явлений, которые Стандартная модель не в состоянии предсказать или описать. В частности, в ней нет места частицам-кандидатам на темную материю — гипотетическую форму вещества, которая участвует в гравитационном взаимодействии, но не участвуют в электромагнитном, из-за чего ее невозможно увидеть напрямую.

Тем не менее, у физиков есть множество косвенных доказательств существования этого скрытого от наблюдателя вида материи: без нее в рамках подтвержденных теорий невозможно объяснить целый ряд космологических явлений, связанных с гравитационным взаимодействием вещества во Вселенной. К таким наблюдениям относятся, к примеру, аномально высокая скорость вращения внешних областей галактик и гравитационное линзирование. Среди прочих способов объяснить эти явления существование темной материи в виде скрытой массы наиболее реалистично.

Все это мотивирует научное сообщество на экспериментальные поиски темной материи, которую пытаются зарегистрировать на ряде масштабных лабораторных установок. Так, недавно детектор темной материи XENON1T зарегистрировал аномально большое число событий в среднем энергетическом диапазоне (единицы и десятки килоэлектронвольт), что может указывать на существование в ней частиц темной материи.

Еще до таких обнадеживающих результатов темную материю в виде частиц с массой от 100 электронвольт до 100 мегаэлектронвольт предложили искать в экспериментах по изучению энергетической структуры в различных изотопах одного химического элемента. Предполагалось, что в рамках этого метода можно проверить существование бозонов темной материи, которыми могли бы обмениваться нейтрон и электрон в атоме. Такое взаимодействие, в свою очередь, должно приводить к малому, но детектируемому отклонению частот квадрупольных переходов (скачков между состояниями атома с различными квантовыми числами, отвечающими за его сферическую симметричность) в спектрах атомов от предсказаний теории. Предположение оправдалось для атомов бериллия и гелия: в измерениях с ними нашли отклонения от Стандартной модели со статистической точностью в 7σ, которые объяснялись бы существованием гипотетической частицы X17 (названной по массе — 17 мегаэлектронвольт).

Похожие отклонения теперь обнаружили Иэн Каунтс (Ian Counts) и Чжунсок Ху (Joonseok Hu) из Массачусетского технологического института. Физики измеряли частоту двух квадрупольных переходов в пяти различных изотопах иттербия. Для этого они захватывали в атомную ловушку отдельные ионы, охлаждали их до температуры 500 микрокельвин, помещали в магнитное поле и последовательно светили на них лазерами с двумя различными длинами волн, чтобы отдельно друг от друга возбудить два перехода. После каждого облучения ученые регистрировали излучение, испущенное в процессе релаксации атома, и затем повторяли измерения для других изотопов.

Особенность метода заключается в том, что если изобразить полученные измерения на так называемом графике Кинга (по осям — частоты двух различных переходов, каждая точка — пара измерений одного перехода для одного изотопа, и другого для изотопа с ближайшим массовым числом), то, согласно теории, все четыре точки должны оказаться на одной прямой. Однако точность измерения частоты в всего 300 герц позволила физикам увидеть, что на самом деле ни одна из точек в пределах погрешности не ложится на прямую, соответствующую средним наблюдениям. Это и может говорить о том, что в процессе релаксации электроны и нейтроны атомов могли обмениваться виртуальным бозоном темной материи, тем самым перераспределяя энергию в системе и меняя частоту излучаемого фотона. Относительное отклонение точек от единой прямой составило порядка 10-7, что соответствует статистической точности в 3σ.

Однако интересно и то, что в том же номере Physical Review Letters вышла статья, в которой Сирил Соларо (Cyrille Solaro) из Орхусского университета вместе с коллегами не обнаружил отклонений от линейности на графике Кинга для пяти изотопов кальция. В этой работе физики также наблюдали за квадрупольными переходами, однако точность регистрации частоты излучаемых атомом фотонов составила 2000 герц, а относительная точность измеряемых величин — порядка 10-6. Именно точность эксперимента могла стать причиной, почему для кальция не были обнаружены отклонения, найденные для иттербия.

Несмотря на независимость двух исследований, авторы второй работы самостоятельно отмечают, что точность их измерений может быть улучшена. В обеих статьях обсуждается и то, что качество измерений можно повысить, если проводить измерения одновременно для двух изотопов, соответствующих одной точке на графике Кинга, а также то, что аналогичные исследования важно провести и для других подходящих химических элементов (спин их ядер должен быть равен нулю).

Кроме темных бозонов физики ищут и темные фотоны: ранее мы рассказывали о том, как американский физик-теоретик предложил искать их в переходах ядер бериллия. А новые поиски возможных механизмов поглощения частиц темной материи предложили вести на старых детекторах.

Никита Козырев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.