მეცნიერები ხაფანგში მოქცეულ იონებს უახლესი ექსპერიმენტებისთვის იყენებენ, რათა აღმოუჩენელი ნაწილაკის ნიშნები მოძებნონ. შესაძლოა, ეს ბნელი მატერიის საიდუმლოს ამოხსნაში დაგვეხმაროს.

ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი გვთავაზობს უაღრესად ზუსტ აღწერას იმ ფუნდამენტური კომპონენტებისა, რომლებიც ქმნიან ყველა ხილულ მატერიას, მათ შორის ნაწილაკებს, რომლებიც წარმოადგენს ყველაფერს ჩვენს გარშემო. ის ასევე განსაზღვრავს ძირითად ძალებს, რომლებიც არეგულირებს ამ ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედებას.

"სტანდარტული მოდელი ამჟამად სამყაროს საუკეთესო ახსნაა, მაგრამ ჩვენ ვიცით, რომ მას ყველაფერი არ შეუძლია", — ამბობს დიანა პრადო ლოპეს აუდე კრაიკი, ციურიხის ETH-ის ფიზიკის პროფესორი. ის ბნელ მატერიას ასახელებს, როგორც "დღევანდელი ფიზიკის ერთ-ერთი უდიდესი საიდუმლოს მაგალითს".

ასტრონომიული დაკვირვებები მიუთითებს, რომ ხილული მატერია, რომლის აღმოჩენაც შეგვიძლია, სრულად ვერ ხსნის გალაქტიკების ბრუნვის წესს. ამის გამო, ფიზიკოსები თვლიან, რომ სამყაროს მასის უმეტესი ნაწილი შედგება უცნობი უხილავი ტიპის მატერიისგან. ამან განაპირობა იმ თეორიების ძიება, რომლებიც შეიძლება გასცდეს იმას, რასაც სტანდარტული მოდელი ამჟამად ხსნის.

წამყვან იდეებს შორისაა თეორიები, რომლებიც გვთავაზობს ბუნების ახალ, მეხუთე ძალას, რომელიც თან ახლავს ოთხ ცნობილ ფუნდამენტურ ძალას: გრავიტაციას, ელექტრომაგნეტიზმს, ძლიერ და სუსტ ურთიერთქმედებას. ერთ-ერთი შესაძლებლობაა, რომ აქამდე უცნობი ძალა არსებობს ატომის ბირთვში ნეიტრონებსა და ელექტრონებს შორის. ეს ჰიპოთეზური ძალა შესაძლოა ახალი ნაწილაკით გადაიცეს ისევე, როგორც ფოტონებია პასუხისმგებელი ელექტრომაგნიტური ძალის გადატანაზე.

ატომის გაზომვა სიზუსტით

მკვლევრები დიდი ხანია ატარებენ ექსპერიმენტებს ნაწილაკების ამაჩქარებლების გამოყენებით (როგორიცაა ჟენევაში CERN-ში დიდი ადრონული კოლაიდერი) სტანდარტული მოდელის მიღმა ახალი ნაწილაკების მოსაძებნად. ოდ კრეიკი და მისი კოლეგები პროფესორ ჯონათან ჰოუმის კვლევით ჯგუფში ETH-ის კვანტური ელექტრონიკის ინსტიტუტში განსხვავებულ მიდგომას იყენებენ.

"როგორც ატომურ ფიზიკოსებს, ჩვენ შეგვიძლია ატომის გაზომვა უკიდურესად მაღალი სიზუსტით", — განმარტავს ის. "ამიტომ, იდეა იმაში მდგომარეობს, რომ ნეიტრონსა და ელექტრონს შორის ამ ახალი ძალის მოძებნა ზუსტი ატომური სპექტროსკოპიის გამოყენებით მოხდეს".

ციურიხში დაფუძნებული გუნდი ამ პროექტზე გერმანიისა და ავსტრალიის კვლევით ჯგუფებთან თანამშრომლობს.

"თუ ეს ძალა ნამდვილად არსებობს ატომში, მაშინ მისი სიძლიერე პროპორციულია ატომის ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობისა", — განმარტავს ლუკა ჰუბერი, კვლევითი ჯგუფის დოქტორანტი. "სწორედ ამიტომ ვატარებთ ექსპერიმენტებს იზოტოპებზე ამ ჰიპოთეზური ძალის აღმოსაჩენად".

იზოტოპები ერთი და იგივე ატომის ტიპებია, რომლებიც განსხვავდება მხოლოდ ატომის ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობით. ეს ნიშნავს, რომ იზოტოპებს აქვს პროტონებისა და ელექტრონების ერთი და იგივე რაოდენობა და შესაბამისად, ქიმიურად იდენტურია, მაგრამ თითოეულ მათგანს განსხვავებული მასა აქვს.

შედეგად, სხვადასხვა იზოტოპში ელექტრონების მიერ განცდილი მთლიანი ძალა ოდნავ უნდა განსხვავდებოდეს ნეიტრონების სხვადასხვა რაოდენობის გამო. ეს შეიძლება გაიზომოს ატომში ელექტრონების მოძრაობის ენერგიის დონეების შესწავლით. კერძოდ, მკვლევრები ვარაუდობენ, რომ ახალი ძალა გამოიწვევს ენერგიის დონეების უმნიშვნელო ცვლილებებს სხვადასხვა იზოტოპებს შორის.

კალციუმის იზოტოპების შესწავლა ზუსტ იონურ ხაფანგში

"ამ ენერგიის ცვლის დასადგენად, ჩვენ ვზომავთ გამოსხივებული სინათლის სიხშირეს, როდესაც იზოტოპები ორ ენერგეტიკულ დონეს შორის გადის", — განმარტავს აუდ კრეიკი.

ამ გაზომვისთვის საჭიროა იონური ხაფანგი, სადაც ელექტრომაგნიტური ველები ერთ დამუხტულ იზოტოპს ადგილზე აკავებს და ლაზერი მას უფრო მაღალ ენერგეტიკულ მდგომარეობამდე აღაგზნებს. კერძოდ, მკვლევრებმა თავიანთ ექსპერიმენტებში გამოიყენეს ხუთი სტაბილური, ერთჯერადად დამუხტული კალციუმის იზოტოპი. თითოეული იზოტოპი შეიცავდა 20-პროტონს, მაგრამ ნეიტრონების რაოდენობა 20-დან 28-პროცენტამდე მერყეობდა. ლაბორატორიაში მკვლევრებმა შეძლეს ამ იზოტოპების ენერგეტიკული დონეების ცვლის დადგენა 100 მილიჰერცის სიზუსტით, რაც ასჯერ უფრო ზუსტია, ვიდრე წინა საუკეთესო გაზომვები.

"ჩვენ ადრე ორი იზოტოპი ჩავკეტეთ იონურ ხაფანგში და ერთად გავზომეთ", — განმარტავს ჰუბერი.

ამან მკვლევრებს საშუალება მისცა მკვეთრად შეემცირებინათ ხმაური ჩარევის სიხშირის გაზომვის დროს. მეორე მხრივ, ამ სიზუსტის მიუხედავად, ახალი ფიზიკის ძიებისთვის საჭირო იყო შემდგომი ექსპერიმენტები.

გერმანულმა ჯგუფმა ციურიხის გუნდის მსგავსი სიზუსტით გაზომვა ამ მაღალდამუხტულ კალციუმის იონებში სხვა ცვლილებები. მესამე ჯგუფმა მაღალი სიზუსტით გაზომა იზოტოპებს შორის ბირთვული თანაფარდობა.

"ჩვენ არ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ აქ ახალი ფიზიკა აღმოვაჩინეთ", — ხაზს უსვამს აუდე კრეიკი. "თუმცა, ვიცით, რამდენად ძლიერი შეიძლება იყოს ახალი ძალა, რადგან სხვაგვარად დავინახავდით მას ჩვენს გაზომვებში, თუნდაც გაურკვევლობებით".

მკვლევრებს ახლა შეუძლიათ დაადგინონ საზღვრები ჰიპოთეზური ნაწილაკის მასისა და მუხტის შესაძლო მნიშვნელობებზე, რომელიც გადასცემს ამ ახალ ძალას.