П'ята сила: прорив у пошуках нової взаємодії Всесвіту

У фізиці існує парадоксальний висновок: що точніше Стандартна модель описує відоме, то голосніше її мовчання про невідоме. Вона бездоганно передбачає поведінку елементарних частинок і чотирьох фундаментальних взаємодій, але не дає жодної відповіді щодо темної матерії, яка, за астрофізичними оцінками, становить ≈ 85 % усієї маси Всесвіту [1] Чи може прихована п'ята сила — взаємодія, яку переносить ще не відкрита бозонна частинка — стати відсутньою ланкою? Саме це питання з новою гостротою постало 3 липня 2025 року, коли група ETH Zürich оприлюднила рекордно точні результати спектроскопії ізотопів кальцію [2].

Проблема темної матерії та теоретичні мотиви

Ідея додаткової взаємодії не нова: ще в 1986 році американський фізик Ефраїм Фішбах (1944 – ) та колеги побачили натяк на відхилення від закону всесвітнього тяжіння у торсіонних вагах. Сучасні теорії передбачають, що нова бозонна частинка могла б переносити силу між нейтронами ядра і електронами оболонки, що призвело б до крихітних енергетичних зсувів у спектрах ізотопів. Такі зсуви описує Юкава-потенціал:

V(r) = α · e⁽⁻r⁄λ⁾

де α — константа зв’язку нової взаємодії, λ — її характерна довжина. Якщо λ лежить у діапазоні атомних розмірів (≈10⁻¹⁰ м), спектроскопія може стати «мікроскопом» для п'ятої сили.

Лабораторні пошуки п'ятої сили: експеримент ETH Zürich

У нещодавньому проєкті під керівництвом Діани Прадо Лопес Ауде Крайк (1988 ) дослідники ув’язнили п’ять стабільних ізотопів кальцію (⁴⁰Ca–⁴⁸Ca) в одній іонній пастці й одночасно вимірювали частоти двох ізотопів, що дозволило знизити шум до 100 мГц [2].

Лука Хубер, докторант ETH Zurich, вирівнює лазерне світло для експерименту з ізотопами кальцію. (Зображення: Габріеле Джулі / ETH Zurich https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2025/07/kniflige-suche-nach-einer-neuen-kraft.html)

В експерименті атоми кальцію утримуються електромагнітними полями, що дозволяє вимірювати енергетичні переходи з точністю 10⁻⁴ Гц")

Попередні вимірювання King-плоту показали нелінійність, несумісну з найкращими ядерними моделями. Однак нові обчислення, виконані міжнародною групою ядерних теоретиків, звели вклад стандартних ядерних ефектів до рівня, якого замало для пояснення спостереженого відхилення [3]. Хоча відкриття «п'ятої сили» ще не оголошено, дослідники вже встановили найжорсткіші межі на масу гіпотетичного бозона: 10 – 100 МеВ⁄c² при константі зв’язку < 10⁻¹² e.

King-плоти й межі нової фізики

Нелінійність King-плоту — графіка, що зіставляє ізотопні зсуви для двох електронних переходів одного й того ж елемента, — стає помітною лише після ретельного віднімання «звичних» ядерних корекцій: мас-шифту (залежить від співвідношення мас електрона й ядра) та поле-шифту (чутливий до радіуса заряду ядра). Коли все це враховано, лінійна залежність між парою зсувів мусить зберігатися; будь-який вигин свідчить або про недооцінену ядерну динаміку, або — що куди цікавіше — про дію нової, позастандартної взаємодії. Саме для того, щоб гарантовано відділити «екзотику» від ще тонших ядерних ефектів, група ETH Zürich планує 2026 року перейти до тривимірного King-плоту: вимірюватимуть одразу три електронні переходи з різною електронною густиною поблизу ядра. У такій конфігурації дані кожної пари ізотопів дають точку не на площині, а в об’ємі; усі «звичайні» внески зводяться до геометричної гіперплощини, а відхилення від неї однозначно вказують на додатковий механізм.

Зображення гіпотетичної сили між нейтроном (синім) та електроном (сірим), опосередкованою частинкою, що несе силу φ (зелений). Його можна виявити за допомогою вимірювань ізотопів - типів одного і того ж атома, які мають однакову кількість протонів (червоного) в ядрі, але різну кількість нейтронів. Зображення: ETH Zurich https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2025/07/kniflige-suche-nach-einer-neuen-kraft.html)

Перспективи та значення для фундаментальної фізики

Якщо майбутні вимірювання підтвердять залишкову нелінійність, фізика може отримати перше лабораторне свідчення взаємодії, що виходить за межі Стандартної моделі. Це не лише допоможе розкрити природу темної матерії, а й змінить наше розуміння космологічної еволюції, адже нова сила могла б впливати на формування галактик у ранньому Всесвіті. Навіть у разі негативного результату такі експерименти вже зараз встановлюють рекордні обмеження на параметри теорій «темного сектора» й скеровують пошук до ще точніших методик, зокрема ядерних годинників та квантових інтерферометрів.

Висновок

Надточна спектроскопія кальцієвих ізотопів перетворилася на чутливий детектор п'ятої сили. Комбінація експериментальної винахідливості та суворих теоретичних розрахунків показує, що межі нашого знання поступово звужуються довкола темної матерії. Чи стане нова взаємодія «пазлом», якого бракує космічній картині, покаже найближче десятиліття. Проте вже сьогодні цей проєкт демонструє, наскільки глибоко люди можуть зазирнути у фундаментальні закони природи, не виходячи за межі лабораторії.

Список використаних джерел:

1. Physicists Close In on the Fifth Force That Could Unlock the Mystery of Dark Matter // SciTechDaily. 03.07.2025. URL: https://scitechdaily.com/physicists-close-in-on-the-fifth-force-that-could-unlock-the-mystery-of-dark-matter/

2. Vonarburg B. Elaborate search for a new force // ETH Zürich News. 01.07.2025. URL: https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2025/07/kniflige-suche-nach-einer-neuen-kraft.html

3. Wilzewski A. та ін. Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties. arXiv preprintarXiv:2412.10277 [physics.atom-ph], 2025. URL: https://arxiv.org/abs/2412.10277