Bien que le modèle standard (SM) décrit toutes les particules fondamentales connues et de nombreuses interactions entre elles, elle ne parvient pas à expliquer la matière noire, l'énergie sombre et l'asymétrie apparente entre la matière et l'antimatière dans l'univers. Au cours des dernières décennies, les physiciens ont ainsi introduit divers cadres et méthodes pour étudier la physique au-delà du SM, dont l'un est connu sous le nom de King Plot.
Le tracé King est une technique graphique utilisée pour analyser les changements isotopiques, les variations des niveaux d'énergie de différents isotopes (par exemple, des atomes du même élément qui contiennent un nombre différent de neutrons). Cet outil graphique s'est avéré prometteur pour séparer les effets expliqués par le SM des signaux liés à la nouvelle physique.
Des chercheurs de Physikalisch-Technische Bundesanstalt, du Max Planck Institute for Nuclear Physics, et Eth Zurich ont récemment collecté de nouvelles mesures qui ont resserré les contraintes basées sur les parcelles King sur les propriétés d'une particule hypothétique qui n'a pas encore été observée, connue sous le nom de Boson de type Yukawa.
Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquesouligne en outre le potentiel de la spectroscopie de décalage des isotopes et la technique du tracé du roi pour tester les théories de la physique des particules et la recherche de physique en dehors du SM.
« En 2015, mon groupe a effectué des mesures de décalage d'isotopes sur des transitions larges et alliées dipolaires en CA+ Avec une incertitude de 100 kHz en utilisant une nouvelle technique (spectroscopie de recul de photons) que nous avions développée plus tôt « , a déclaré à Issues.fr Piet O. Schmidt, auteur principal du journal.
« Quelques années plus tard, ces données ont été utilisées par une collaboration au Weizmann Institute en Israël pour mettre des limites sur une cinquième force hypothétique. Il était clair que les limites pouvaient être considérablement améliorées en utilisant des transitions étroites dans les isotopes de calcium, en particulier lors de la combinaison de transitions à partir de différents états de charge.
« José Crespo et son groupe ont effectué les premières mesures in-ebit sur CA14+ et a déterminé la sensibilité à la nouvelle physique qui a aidé mon groupe à trouver les transitions en utilisant la spectroscopie logique quantique et à mesurer le décalage des isotopes jusqu'au niveau de 100 MHz. «
En 2023, à peu près au même moment que Crespo et son équipe de recherche ont effectué les premières mesures de CA14+ À l'intérieur d'un piège Ion Electron Beam, Schmidt et ses collègues ont appris les efforts d'une autre équipe dirigée par Diana Aude Craik, impliquant des chercheurs du groupe de Jonathan Home à ETH.
Craik remémorait les changements isotopes de l'AC+ transition d'horloge (c'est-à-dire, effectuant des mesures plus précises de ce décalage des isotopes dans cinq isotopes, sur une transition optique spécifique généralement exploitée pour développer des horloges atomiques optiques).
« Par paires d'isotopes en co-plateau, nous avons effectué une mesure différentielle directe du décalage des isotopes, éliminant les principales sources de bruit expérimental qui affectent les deux ions, pour améliorer la précision de mesure de deux ordres de grandeur », a expliqué Luca Huber, un étudiant diplômé de Eth qui est l'un des co-auteurs de l'étude.
« C'était la première fois qu'une non-linéarité était observée dans un complot du roi du calcium », a ajouté Craik.
« Des parcelles royales avaient déjà été réalisées en calcium, même jusqu'à environ 10 Hz de précision de mesure. Notre groupe à ETH a amélioré la précision de mesure de la transition en CA+ à 100 MHz, et le groupe de Piet a obtenu une précision similaire en CA14+. Ceci, combiné à l'amélioration de Klaus Blaum dans la précision des rapports de masse nucléaire, nous a permis de faire un complot du roi sous-HZ, qui a finalement révélé la non-linéarité. «
Dans un article antérieur publié en 2017, Fuchs a utilisé la spectroscopie de décalage des isotopes pour établir des limites sur une cinquième force hypothétique (c'est-à-dire une nouvelle interaction fondamentale entre les particules qui n'est pas encore connue).
Dans le cadre de leur étude récente, Schmidt et Fuchs ont établi une nouvelle collaboration impliquant CRAIK et divers autres experts dans divers domaines de la physique, notamment la spectroscopie optique de précision et la spectrométrie de masse, la théorie de la structure atomique et nucléaire et la physique de haute énergie, dans le but de resserrer les contraintes sur cette cinquième force hypothétique.
« Nous avons demandé à Craik de se joindre à notre collaboration et nous avions déjà contacté Klaus Blaum au sujet d'une meilleure mesure des masses nucléaires, car nous savions que nous serions autrement limités par leur incertitude », a déclaré Schmidt.
« Elina Fuchs de l'Université Leibniz à Hanovre prenait l'interprétation des données sous la forme d'un graphique d'exclusion et a coordonné le consortium, qui a été complété par d'autres collègues théoriques travaillant sur les calculs de structure atomique et nucléaire des effets de modèle standard d'ordre supérieur. »
Dans le cadre de leur nouvelle collaboration, Schmidt et ses collègues ont combiné leurs mesures des quarts d'isotope de l'AC+ et CA14+ transitions d'horloge. Le décalage isotopique d'une transition dépend de deux facteurs clés, à savoir les différences dans la distribution de la charge nucléaire et les différences de masse nucléaire.
« La dépendance à l'égard du changement de taille nucléaire peut être éliminée en mesurant deux transitions », a expliqué Fuchs.
« Il en résulte une dépendance linéaire entre le décalage isotopique normalisé de masse des deux transitions, appelée tracé King. Une cinquième force hypothétique briserait cette linéarité, mais il en va de même pour les contributions du modèle standard d'ordre supérieur. Nous avons observé une non-linéarité de plus de 1000 écarts-types.
« Des calculs très précis du décalage de masse du second ordre nous ont permis de soustraire sa contribution. Les estimations de la théorie indiquent que la grande non-linéarité restante pourrait être causée par la polarisabilité nucléaire, qui ne peut actuellement pas être calculée avec une grande précision. »
Les nouvelles mesures effectuées par la collaboration pourraient aider à améliorer les modèles nucléaires d'un effet connu sous le nom de polarisabilité nucléaire, qui implique la distorsion d'un noyau atomique par des champs électromagnétiques. De plus, les chercheurs ont pu ajouter une troisième transition à la parcelle King qui avait été précédemment mesurée par différents groupes de recherche à 6 à 20 Hz. Cela a réduit l'espace des paramètres pour les interactions de type Yukawa, qui pourraient être une cinquième force hypothétique.
« En ajoutant une troisième transition à la parcelle King, nous pourrions supprimer d'autres contributions de modèle standard et obtenir le tracé King le plus strict basé sur l'existence d'un cinquième neutrons de couplage de force aux électrons », a déclaré Fuchs.
« Notre étude a éclairé l'importance de la polarisabilité nucléaire en tant que contribution considérable aux mesures de décalage des isotopes de haute précision. »
Les chercheurs espèrent que leur étude inspirera de nouvelles études de physique nucléaire axées sur la polarisabilité nucléaire, ce qui pourrait enrichir davantage la compréhension actuelle de la physique nucléaire. Pendant ce temps, ils prévoient d'effectuer des mesures de spectroscopie de plus en plus précises qui pourraient définir des contraintes basées sur le tracé King encore plus strictes sur une cinquième force possible au-delà du SM.
Craik et ses collègues de l'ETH mesurent désormais la troisième transition incluse dans l'analyse à une précision plus élevée, visant une précision de 10 MHz. Cette mesure pourrait ouvrir la voie à des recherches encore plus ciblées d'interactions au-delà du SM.
« Cette mesure nous aidera à déterminer si la contribution de la polarisabilité nucléaire peut être` `prise en compte '' en faisant un complot King plus dimensionnel avec plus de transitions », a déclaré Craik.
« Si nous constatons que cette contribution peut être éliminée par l'expérience seule, les défis du calcul de cet effet nucléaire ne nous empêcheraient plus de pousser la sensibilité à la nouvelle physics de la spectroscopie de décalage isotopique dans un espace de phase inexploré. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
