物理学家正在寻找暗力。这些力不像听起来那么不祥：“暗”仅仅指的是以前没有人观察到它们。在这种情况下，它们将在中子和电子之间起作用。
研究暗力的一种途径是使用激光对同位素（具有不同中子数的元素原子）进行精确测量。如果存在幕后运作的暗力，它可能会影响同位素的能级——原子核周围电子存在的离散区域。
现在，两个团队独立完成了这种类型最精确的测量。他们的发现于本月在《物理评论快报》上报道，结果好坏参半：一个团队，由丹麦奥胡斯大学的研究人员领导，分析了钙同位素，没有看到与预测的偏差。但另一个团队，由麻省理工学院的科学家领导，使用了镱同位素，发现了偏差，电子能级具有“三个西格玛”的显著性——也就是说，假设没有暗力或其他因素，由于随机机会，这种结果每370次才会发生一次。
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如果这里存在暗力，物理学家认为它将由一种传递力的粒子携带：玻色子。“‘暗玻色子’的定义不明确，”芝加哥附近费米国家加速器实验室的物理学家，奥胡斯领导的团队成员埃琳娜·福克斯说。“它只是一种非常微弱相互作用的粒子，可以与物质联系起来。” 这些努力是寻找暗力，而不是暗物质——构成宇宙中 85% 物质的神秘物质。这种暗玻色子可能是暗物质的重要组成部分，或者它可能只是更大的“暗区”粒子的一部分。
奥胡斯领导的研究结果并未排除暗力，但麻省理工学院领导的团队的发现并未证实它们。通常，物理学家不会断言一项发现已经做出，除非结果的统计显著性达到五个西格玛（在本例中，是 170 万分之一的机会）。麻省理工学院领导的研究人员很快澄清说，他们怀疑他们的结果与暗力有关。最有可能的是，偏差是由于尚未计算出的核力造成的——没有什么超出标准模型，即支配已知粒子和力的理论，减去引力。
“我们并没有声称发现了任何像新粒子一样的东西，”麻省理工学院的物理学家，该论文的合著者弗拉丹·武莱蒂奇说。“最有可能的是，我们正在测量新的核物理，但有可能还有其他事情发生。”
寻找暗力是更广泛的新物理学探索的一部分。一些迹象，例如暗物质的存在、中微子为何有质量之谜以及引力的相对微弱，表明可能存在物理学家在标准模型中没有解释的粒子和力。
传统上，这些探索发生在更高的能量下，使用粒子加速器，例如日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，以在极端亚原子撞击的残骸中创造新粒子。建造这些庞然大物般的实验耗费了过多的时间和金钱，因此研究人员一直在寻找探测新物理学的替代方法。
新型精确测量方法反而通过确保一切井然有序来寻找低能量下的新物理学——例如，检查暗力是否隐藏在同位素之间的微小变化中。没有理由认为这些力可能隐藏在同位素数据中——但反过来，也没有理由不认为会隐藏在其中。
“我们完全处于黑暗之中，”武莱蒂奇说。“这是一种完全不同的工作方式。我们在这里戳一下，那里戳一下，希望在某个地方，我们能发现一些东西。”
图之王
1963 年，当时的牛津大学物理学家威廉·金注意到了一个有趣的模式。当他将同位素的能级相互比较时，他看到它们在图表上形成了一条直线。这种后来被称为金图的图表长期以来对核物理学家非常重要。但研究人员最近才开始使用它们来寻找新的物理学。
两年前，另一篇发表在《物理评论快报》上的论文提出了在金图中找到暗玻色子的可能性。作者认为，连接电子和中子的暗玻色子会改变同位素之间的能级。例如，具有 20 个中子的钙同位素应与具有 22 个中子的同位素具有基本相同的能级，因为电子不被中性中子吸引。但是暗玻色子可能会产生微小的吸引力，以可辨别的方式改变电子的能级。
这些对暗玻色子的探索与暗物质搜索不同。研究人员不是在寻找真实的、入射的粒子。相反，他们正在扫描虚拟粒子对同位素的影响——类似于涉及磁场的调查——麻省理工学院博士生，新的镱研究的共同主要作者许俊锡说。 随着比较的同位素越来越多，这种细微偏差的信号应该会增强。
“这是一种非常有效的方法来约束新的物理学，”以色列理工学院的物理学家，2018 年《物理评论快报》论文的合著者约塔姆·索雷克说。“一旦你看到偏离线性的情况，就像麻省理工学院小组在一定程度上看到的，那么你就需要开始非常非常仔细地思考，‘这种效应是什么？’”
当然，并非所有非线性效应都来自新的物理学。例如，同位素的额外中子可能会使其原子核变形，甚至可能在整个原子核中分布不均匀。这些类型的变化很难与暗玻色子区分开来，部分原因是很难精确计算用于此类搜索的大块同位素的能级。随着元素变大，用经典计算机预测电子能级需要呈指数级增长的计算能力。
为了在两项新研究中寻找金图中的非线性，两个团队都使用了类似的方法：研究人员将单个原子放置在激光阱中以将其固定到位。然后，他们使用额外的激光探测同位素，改变激光的频率，直到找到精确的能级——有点像调整无线电频率穿过静电，直到偶然发现一个频道。
结果看起来非常直接，形成了一条令人难以置信的精确和毫不动摇的金图。“我们做了实验，最终得到了我一生中测量过的最直的线，”奥胡斯大学的物理学家，新的钙研究的合著者迈克尔·德雷森说。
另一方面，麻省理工学院领导的团队看到的能级比预测值偏离了 500 到 1,000 赫兹，在金图中记录为一条小曲线。（能级以赫兹为单位测量，因为光的频率与其能量成正比。）然而，该小组的实验无法区分标准模型的非线性与新的物理学非线性，因此结果尚无定论。
先前来自天体物理观测和粒子物理实验的数据对电子和中子之间的暗力强度设置了更强的界限。但是，如果研究人员可以将他们的能级测量精度提高几个数量级——两个团队都表示他们认为这是可能的——通过金图寻找暗力将变得真正具有竞争力。提高的精度还将使他们能够证实或挑战所谓的Atomki 异常，这表明存在一种暗玻色子，其质量大约是电子质量的 34 倍。
未来的潜在改进可能来自包括更多高电荷同位素、其他元素、短寿命同位素，甚至离子阱中两个同位素的量子纠缠。“这需要时间。这根本不是一项微不足道的工作，”索雷克说。“但是[这种技术]可以得到进一步的改进。”