物理學家正在尋找暗力。這些力不像聽起來那麼不祥：“暗”僅僅指的是以前沒有人觀察到它們。在這種情況下，它們將在中子和電子之間起作用。
研究暗力的一種途徑是使用雷射對同位素（具有不同中子數的元素原子）進行精確測量。如果存在幕後運作的暗力，它可能會影響同位素的能級——原子核周圍電子存在的離散區域。
現在，兩個團隊獨立完成了這種型別最精確的測量。他們的發現於本月在《物理評論快報》上報道，結果好壞參半：一個團隊，由丹麥奧胡斯大學的研究人員領導，分析了鈣同位素，沒有看到與預測的偏差。但另一個團隊，由麻省理工學院的科學家領導，使用了鐿同位素，發現了偏差，電子能級具有“三個西格瑪”的顯著性——也就是說，假設沒有暗力或其他因素，由於隨機機會，這種結果每370次才會發生一次。
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如果這裡存在暗力，物理學家認為它將由一種傳遞力的粒子攜帶：玻色子。“‘暗玻色子’的定義不明確，”芝加哥附近費米國家加速器實驗室的物理學家，奧胡斯領導的團隊成員埃琳娜·福克斯說。“它只是一種非常微弱相互作用的粒子，可以與物質聯絡起來。” 這些努力是尋找暗力，而不是暗物質——構成宇宙中 85% 物質的神秘物質。這種暗玻色子可能是暗物質的重要組成部分，或者它可能只是更大的“暗區”粒子的一部分。
奧胡斯領導的研究結果並未排除暗力，但麻省理工學院領導的團隊的發現並未證實它們。通常，物理學家不會斷言一項發現已經做出，除非結果的統計顯著性達到五個西格瑪（在本例中，是 170 萬分之一的機會）。麻省理工學院領導的研究人員很快澄清說，他們懷疑他們的結果與暗力有關。最有可能的是，偏差是由於尚未計算出的核力造成的——沒有什麼超出標準模型，即支配已知粒子和力的理論，減去引力。
“我們並沒有聲稱發現了任何像新粒子一樣的東西，”麻省理工學院的物理學家，該論文的合著者弗拉丹·武萊蒂奇說。“最有可能的是，我們正在測量新的核物理，但有可能還有其他事情發生。”
尋找暗力是更廣泛的新物理學探索的一部分。一些跡象，例如暗物質的存在、中微子為何有質量之謎以及引力的相對微弱，表明可能存在物理學家在標準模型中沒有解釋的粒子和力。
傳統上，這些探索發生在更高的能量下，使用粒子加速器，例如日內瓦附近歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，以在極端亞原子撞擊的殘骸中創造新粒子。建造這些龐然大物般的實驗耗費了過多的時間和金錢，因此研究人員一直在尋找探測新物理學的替代方法。
新型精確測量方法反而透過確保一切井然有序來尋找低能量下的新物理學——例如，檢查暗力是否隱藏在同位素之間的微小變化中。沒有理由認為這些力可能隱藏在同位素資料中——但反過來，也沒有理由不認為會隱藏在其中。
“我們完全處於黑暗之中，”武萊蒂奇說。“這是一種完全不同的工作方式。我們在這裡戳一下，那裡戳一下，希望在某個地方，我們能發現一些東西。”
圖之王
1963 年，當時的牛津大學物理學家威廉·金注意到了一個有趣的模式。當他將同位素的能級相互比較時，他看到它們在圖表上形成了一條直線。這種後來被稱為金圖的圖表長期以來對核物理學家非常重要。但研究人員最近才開始使用它們來尋找新的物理學。
兩年前，另一篇發表在《物理評論快報》上的論文提出了在金圖中找到暗玻色子的可能性。作者認為，連線電子和中子的暗玻色子會改變同位素之間的能級。例如，具有 20 箇中子的鈣同位素應與具有 22 箇中子的同位素具有基本相同的能級，因為電子不被中性中子吸引。但是暗玻色子可能會產生微小的吸引力，以可辨別的方式改變電子的能級。
這些對暗玻色子的探索與暗物質搜尋不同。研究人員不是在尋找真實的、入射的粒子。相反，他們正在掃描虛擬粒子對同位素的影響——類似於涉及磁場的調查——麻省理工學院博士生，新的鐿研究的共同主要作者許俊錫說。 隨著比較的同位素越來越多，這種細微偏差的訊號應該會增強。
“這是一種非常有效的方法來約束新的物理學，”以色列理工學院的物理學家，2018 年《物理評論快報》論文的合著者約塔姆·索雷克說。“一旦你看到偏離線性的情況，就像麻省理工學院小組在一定程度上看到的，那麼你就需要開始非常非常仔細地思考，‘這種效應是什麼？’”
當然，並非所有非線性效應都來自新的物理學。例如，同位素的額外中子可能會使其原子核變形，甚至可能在整個原子核中分佈不均勻。這些型別的變化很難與暗玻色子區分開來，部分原因是很難精確計算用於此類搜尋的大塊同位素的能級。隨著元素變大，用經典計算機預測電子能級需要呈指數級增長的計算能力。
為了在兩項新研究中尋找金圖中的非線性，兩個團隊都使用了類似的方法：研究人員將單個原子放置在雷射阱中以將其固定到位。然後，他們使用額外的雷射探測同位素，改變雷射的頻率，直到找到精確的能級——有點像調整無線電頻率穿過靜電，直到偶然發現一個頻道。
結果看起來非常直接，形成了一條令人難以置信的精確和毫不動搖的金圖。“我們做了實驗，最終得到了我一生中測量過的最直的線，”奧胡斯大學的物理學家，新的鈣研究的合著者邁克爾·德雷森說。
另一方面，麻省理工學院領導的團隊看到的能級比預測值偏離了 500 到 1,000 赫茲，在金圖中記錄為一條小曲線。（能級以赫茲為單位測量，因為光的頻率與其能量成正比。）然而，該小組的實驗無法區分標準模型的非線性與新的物理學非線性，因此結果尚無定論。
先前來自天體物理觀測和粒子物理實驗的資料對電子和中子之間的暗力強度設定了更強的界限。但是，如果研究人員可以將他們的能級測量精度提高几個數量級——兩個團隊都表示他們認為這是可能的——透過金圖尋找暗力將變得真正具有競爭力。提高的精度還將使他們能夠證實或挑戰所謂的Atomki 異常，這表明存在一種暗玻色子，其質量大約是電子質量的 34 倍。
未來的潛在改進可能來自包括更多高電荷同位素、其他元素、短壽命同位素，甚至離子阱中兩個同位素的量子糾纏。“這需要時間。這根本不是一項微不足道的工作，”索雷克說。“但是[這種技術]可以得到進一步的改進。”