Загадка темной материи не дает покоя ученым уже почти столетие. Ее присутствие во Вселенной очевидно, но увидеть или измерить ее до сих пор никому не удавалось. Возможно, ключ к разгадке скрывается в мельчайших частицах обычного вещества – атомах, которые теперь можно изучать с невероятной точностью.
Подсказку физикам дали необычные опыты с изотопами иттербия. В 2020 году группа исследователей из Массачусетского технологического института изучала, как смещаются энергетические уровни электронов при переходе от одного изотопа к другому. По существующим теориям, эти смещения должны были образовывать прямую линию на графике. Однако здесь картинка получилась совершенно иная, изогнутая – словно на электроны действовала какая-то неизвестная сила, искажающая их поведение.
Наука уже давно предполагала, что темная материя может влиять на обычное вещество не только через гравитацию. Многие ученые предполагают существование особых “темных сил” – своеобразных посредников между двумя типами материи. В теории они должны проявлять себя на уровне элементарных частиц, в том числе влиять на поведение электронов. Именно поэтому аномалия в атомах иттербия привлекла такое внимание: она удивительно точно соответствовала теоретическим предсказаниям о том, как могли бы действовать эти гипотетические силы.
Чтобы проверить гипотезу, была проведена серия новых экспериментов , превзошедших по точности все предыдущие измерения в сто раз. Физики использовали два независимых метода: в одном случае они наблюдали за поведением электронов с помощью высокочастотных ионных ловушек и сверхстабильных лазерных систем, в другом – измеряли массовые соотношения изотопов на специальном масс-спектрометре PENTATRAP.
Полученные данные подтвердили существование аномалии. Однако чтобы понять ее природу, потребовались новые теоретические расчеты. За дело взялась группа физиков под руководством Ахима Швенка, разработавшая более точную модель атомного ядра.
Расчеты показали более сложную и интересную картину. Нелинейность в поведении электронов возникала из-за того, что при добавлении нейтронов ядро атома иттербия не просто увеличивалось в размерах, но и меняло свою форму – от почти сферической до заметно вытянутой. Эти изменения создавали неоднородное электрическое поле, которое по-разному влияло на энергетические уровни электронов в разных изотопах. Впервые ученым удалось проследить такие тонкие структурные изменения в ядре, просто наблюдая за поведением электронов во внешней оболочке атома.
Попутно исследователи установили новые границы для поиска темных сил. Если такие силы и действуют между нейтронами и электронами, их интенсивность должна быть как минимум в сто раз меньше, чем предполагалось ранее. То сеть они либо существуют в крайне слабой форме, либо действуют совсем не так, как предполагали теоретики.
Полученные результаты важны не только для понимания строения атома. Они приближают ученых к разгадке тайн нейтронных звезд – удивительных космических объектов, где материя существует в экстремальных условиях. Зная, как ведут себя ядра с большим количеством нейтронов, физики могут точнее описать процессы, происходящие в недрах этих загадочных гигантов.
Но главное – работа показала, как важно объединять разные области физики. Сочетание экспериментальных методов и теоретических расчетов позволяет проникать все глубже в тайны материи, приближая нас к пониманию фундаментального устройства Вселенной.