Аномалия гелия в 9σ бросает вызов Стандартной модели

9σ-расхождение в энергии ионизации метастабильного гелия представляет собой значительное несоответствие в 9 стандартных отклонений между экспериментальными измерениями и теоретическими предсказаниями Стандартной модели. Этот огромный статистический разрыв позволяет предположить, что наше нынешнее понимание фундаментальной физики неполно, что потенциально скрывает присутствие нового бозона. Исследователи Dmitry Budker, Lei Cong и Filip Ficek использовали эту аномалию, чтобы сузить область поиска экзотических электрон-электронных взаимодействий, создав дорожную карту для открытия пятой силы природы.

Что означает 9σ-расхождение в энергии ионизации метастабильного гелия?

9σ-расхождение относится к высокозначимой разнице между измеренной и теоретически предсказанной энергией ионизации атомов метастабильного гелия, в частности состояний 2³S₁ изотопов ³He и ⁴He. Это статистическое отклонение почти вдвое превышает порог 5σ, обычно требуемый для официального «открытия» в физике элементарных частиц. С практической точки зрения это означает, что вероятность того, что этот разрыв является простой случайностью, почти равна нулю, сигнализируя о том, что либо экспериментальные данные ошибочны, либо расчеты Стандартной модели неполны, либо в дело вступает новая физика.

Состояния метастабильного гелия особенно полезны для этих измерений, поскольку они относительно долговечны, что позволяет проводить высокопрецизионную спектроскопию. Исследование, проведенное Dmitry Budker, Lei Cong и Filip Ficek, сосредоточено на том, как эти уровни энергии отклоняются от предсказаний квантовой электродинамики (КЭД). Если теоретические расчеты верны, разрыв в 9σ становится «неопровержимым доказательством» существования физики за пределами Стандартной модели, потенциально раскрывая новую частицу, которая является переносчиком сил между электронами в атомном масштабе.

Прецизионная атомная спектроскопия исторически была инструментом подтверждения существующих теорий, но она все чаще становится инструментом открытия новых взаимодействий. Поскольку аномалия гелия проявляется в обоих изотопах (³He и ⁴He), исследователи могут использовать согласованность знака сдвига для определения природы гипотетической силы. Величина этого разрыва в 9σ настолько велика, что её нельзя легко объяснить незначительными ошибками в текущих физических константах, что требует тщательного изучения моделей экзотических частиц.

Как прецизионная атомная спектроскопия исследует новую физику за пределами Стандартной модели?

Прецизионная атомная спектроскопия измеряет энергетические уровни с предельной точностью, выявляя крошечные отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые сигнализируют о присутствии новых сил или частиц. Сравнивая частоту света, поглощаемого или излучаемого атомами, с математическими моделями, ученые могут обнаружить влияние «скрытых» секторов физики. Этот метод достаточно чувствителен, чтобы идентифицировать влияние гипотетических бозонов, которые слишком легки или слишком слабо взаимодействуют, чтобы их можно было увидеть в коллайдерах высоких энергий, таких как LHC.

Высокоэффективные исследования в этой области опираются на тот факт, что каждая фундаментальная сила оставляет отчетливый «отпечаток» на энергетических уровнях атома. Когда возникает расхождение, подобное 9-сигма аномалии гелия, оно служит лабораторией для тестирования экзотических электрон-электронных взаимодействий. Эти взаимодействия опосредуются новыми бозонами, которые могут обладать специфическими свойствами, такими как скалярная, векторная или аксиально-векторная природа. Измеряя эти сдвиги в различных изотопах, спектроскопия обеспечивает качественный скачок в нашей способности исследовать фундаментальную структуру Вселенной.

• Сравнение изотопов: Использование различных изотопов позволяет исследователям изолировать эффекты, зависящие от массы ядра, от чисто электронных эффектов.
• Теоретическая точность: Прогресс в расчетах КЭД снизил теоретические неопределенности, сделав даже небольшие экспериментальные расхождения весьма значимыми.
• Чувствительность к энергетическому сдвигу: Современная спектроскопия может обнаруживать сдвиги в диапазоне частей на триллион, что делает её самой чувствительной «шкалой» для взвешивания новой физики.

Как новый бозон может объяснить 9σ-аномалию гелия?

Новый бозон мог бы опосредовать экзотические электрон-электронные взаимодействия, вызывая энергетические сдвиги в метастабильном гелии, которые объясняют наблюдаемое 9σ-расхождение. В рамках этой концепции гипотетическая частица действует как переносчик «пятой силы», которая проявляется только на очень коротких расстояниях между электронами. Добавив это взаимодействие в уравнения Стандартной модели, теоретическое предсказание для энергии ионизации может быть скорректировано так, чтобы оно идеально совпало с экспериментальными результатами, наблюдаемыми в лаборатории.

Dmitry Budker и его коллеги изучили несколько «структур связи», чтобы увидеть, какие типы бозонов могут вызывать необходимые сдвиги. Взаимодействие между двумя электронами может быть опосредовано различными типами частиц, каждая из которых дает определенный математический знак (положительный или отрицательный) в энергетическом сдвиге. Чтобы бозон мог объяснить аномалию, он должен вызывать сдвиг, соответствующий наблюдаемому экспериментальному направлению как в ³He, так и в ⁴He. Это требование обеспечивает строгий фильтр для теоретических моделей, фактически выступая в качестве «лакмусовой бумажки» для новой физики.

Гипотеза пятой силы предполагает, что этот новый бозон оставался скрытым, потому что сила его взаимодействия невероятно мала или радиус его действия крайне ограничен. Однако в плотной среде атома эти силы становятся измеримыми. Исследование специально рассматривает модели однобозонного обмена, где за взаимодействие отвечает одна новая частица. Этот подход упрощает поиск и позволяет делать независимые от моделей выводы, основанные исключительно на физических требованиях к энергетическому сдвигу, наблюдаемому в спектроскопии гелия.

Какие оставшиеся взаимодействия могут объяснить 9σ-аномалию гелия и бросить вызов Стандартной модели?

Единственными взаимодействиями, которые остаются жизнеспособными объяснениями 9σ-аномалии гелия, являются скалярно-скалярная и аксиально-аксиальная связи, которые генерируют энергетические сдвиги, согласующиеся с экспериментальными данными. С помощью модельно-независимого анализа согласованности знаков исследовательская группа смогла исключить несколько других популярных кандидатов. В частности, векторно-векторные и псевдоскалярно-псевдоскалярные взаимодействия были исключены, поскольку они дают энергетические сдвиги неверного знака, не соответствующие физической реальности аномалии гелия.

Модельно-независимый анализ является мощным методом, поскольку он не опирается на знание точной массы или константы связи новой частицы. Вместо этого он рассматривает фундаментальную симметрию взаимодействия. Выводы Lei Cong, Filip Ficek и Dmitry Budker значительно сузили поле поиска, применив следующие исключения:

• Векторно-векторное: исключено, поскольку индуцированный энергетический сдвиг математически не согласуется с наблюдаемым разрывом в 9σ.
• Псевдоскалярно-псевдоскалярное: исключено на основании знака взаимодействия, который противоречит экспериментальному направлению.
• Аксиально-векторное: ранее считалось кандидатом, но было исключено в этом исследовании путем объединения согласованности знаков с уточненными ограничениями из других физических измерений.
• Опосредованное скаляром: остается единственным сценарием однобозонного обмена, который соответствует всем имеющимся данным и требованиям к знаку аномалии.

Скалярный бозон, если он существует, ознаменовал бы собой значительное расширение Стандартной модели. Эта частица должна находиться в очень узком диапазоне параметров, чтобы оставаться совместимой с другой известной физикой, такой как магнитный момент электрона. Тот факт, что жизнеспособным остается только один тип взаимодействия, упрощает работу будущим экспериментаторам, которые теперь точно знают, какой именно сигнал им следует искать в более сложных атомных системах.

Будущая проверка: исследование g-фактора

Будущие улучшения в измерении гиромагнитного отношения электрона, или g-фактора, могут предоставить окончательные доказательства, необходимые для подтверждения или опровержения оставшейся скалярной гипотезы. G-фактор является мерой магнитных свойств электрона, и он чувствителен к тем же типам новой физики, которые могли бы вызвать аномалию ионизации гелия. Если новый скалярный бозон действительно ответственен за разрыв в 9σ, он также должен оставить обнаруживаемый след в измерениях g-фактора электрона.

Экспериментальная спектроскопия и теоретическая физика теперь должны работать в тандеме, чтобы ликвидировать этот разрыв. Хотя результат в 9 сигма статистически надежен, подтверждение существования новой силы требует множества доказательств. Небольшое повышение точности g-фактора электрона — возможно, в 10 раз — было бы достаточно для исследования оставшегося пространства параметров, где может скрываться скалярный бозон. Эти совместные усилия представляют собой новый рубеж в нашем стремлении нанести на карту фундаментальные силы Вселенной.

Значение этого исследования выходит далеко за рамки изучения гелия. Если существование пятой силы, опосредованной скаляром, подтвердится, это станет первым крупным дополнением к нашей фундаментальной «карте» природы с момента открытия бозона Хиггса. Это могло бы дать ключ к пониманию природы темной материи или причин асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. На данный момент аномалия в 9 сигма является четким сигналом того, что Стандартная модель — это неполная история, последние главы которой еще предстоит написать благодаря прецизионной атомной физике.