Учёные из Германии и Австралии провели исследование атомов иттербия, открыв новые возможности для изучения тёмной материи и структуры атомных ядер. Международная команда физиков из Физико-технического федерального ведомства (PTB) в Брауншвейге, Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге, Технического университета Дармштадта, Ганноверского университета имени Лейбница и Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее объединила усилия для проведения высокоточных измерений изотопов иттербия.

Исследование было вдохновлено аномалией, обнаруженной в 2020 году учёными из Массачусетского технологического института (MIT) при изучении изотопных сдвигов в электронных переходах атомов иттербия. Эта аномалия вызвала большой интерес в научном сообществе, так как могла указывать на существование «тёмных сил» (dark forces), которые могли бы выступать в роли посредников между обычной и темной материей.

Для проверки этой гипотезы команды провели высокоточные измерения частот атомных переходов и массовых соотношений изотопов иттербия. В PTB использовались линейные высокочастотные ионные ловушки и сверхстабильные лазерные системы для оптической спектроскопии. В MPIK массовые соотношения изотопов определялись с помощью масс-спектрометра PENTATRAP с ловушкой Пеннинга. Ловушка Пеннинга — это устройство для удержания заряженных частиц в ограниченном пространстве с помощью комбинации электрического и магнитного полей, она позволяет изучать отдельные частицы в изолированном состоянии, что открывает возможности для фундаментальных и прикладных исследований в области физики. Эти измерения были до ста раз точнее предыдущих аналогичных экспериментов.

Результаты подтвердили наличие аномалии, обнаруженной ранее в MIT. Однако благодаря новым теоретическим расчётам структуры атомных ядер, учёным удалось объяснить это явление. В сотрудничестве с теоретиками-атомщиками из MPIK и Университета Нового Южного Уэльса, а также физиками элементарных частиц из Ганноверского университета имени Лейбница, исследователи смогли установить новый предел существования «тёмных сил».

Более того, полученные данные позволили получить прямую информацию о деформации атомного ядра вдоль цепочки изотопов иттербия. Это открытие может предоставить новые сведения о структуре тяжёлых атомных ядер и физике нейтронно-богатой материи, что крайне важно для понимания природы нейтронных звёзд.

Это исследование открывает новые возможности для сотрудничества между атомной, ядерной и физикой элементарных частиц в поиске новых физических явлений и лучшего понимания сложных процессов, определяющих структуру материи. Оно также демонстрирует, как высокоточные измерения в атомной физике могут предоставить ценную информацию о свойствах атомных ядер и потенциальном существовании неоткрытых сил природы.