摘要：五种同位素：PTB 的离子阱（右上）和海德堡 MPIK 的 PENTATRAP 彭宁阱质谱仪（左下）用于深入了解镱同位素之间的差异，并对可能的新“暗力量”设定更严格的限制。（图片来源：MPIK / PTB / 布鲁克海文国家实验室）

2025 年 3 月 27 日伊莎貝爾·杜梅

五种同位素：PTB 的离子阱（右上）和海德堡 MPIK 的 PENTATRAP 彭宁阱质谱仪（左下）用于深入了解镱同位素之间的差异，并对可能的新“暗力量”设定更严格的限制。（图片来源：MPIK / PTB / 布鲁克海文国家实验室）

德国物理学家发现了一种异常现象的另一种解释，这种异常现象此前被解释为神秘“暗力量”的潜在证据。这种异常现象最初是在镱原子中发现的，后来被发现有更普通的原因。然而，这项调查涉及对镱能级变化及其同位素质量比的高精度测量，可以帮助我们更好地了解重原子核的结构和中子星的物理特性。

同位素是一种元素的形式，它具有相同数量的质子和电子，但中子数量不同。这些不同的中子数量会导致原子电子能级发生偏移。因此，测量这些所谓的同位素偏移是探测电子和中子之间相互作用的一种方法。

2020 年，美国麻省理工学院 (MIT) 的一组物理学家观察到镱同位素偏移的意外偏差。这种偏差的一个可能解释是存在一种新的“暗力量”，它会通过假设的新载力粒子（玻色子）与普通可见物质和暗物质相互作用。

尽管人们认为暗物质占宇宙总物质的 85% 左右，而且可以通过光线从遥远星系向我们传播时的弯曲方式推断出暗物质的存在，但它从未被直接探测到过。因此，如果能发现一种新的第五种力（除了已知的强力、弱力、电磁力和引力）在普通物质和暗物质之间起作用，那将是非常令人兴奋的。

由德国布伦瑞克联邦物理技术研究院 (PTB)的Tanja Mehlstäubler和德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所 (MPIK)的Klaus Blaum领导的团队现已证实该异常是真实存在的。然而，PTB-MPIK 的研究人员表示，它并非源自暗力量。相反，它源于镱同位素的核结构随着更多中子的加入而变形的方式。

Mehlstäubler、Blaum 及其同事在测量了五种不同镱同位素（ 16 8、170、172、174、176 Yb）的原子能级变化后得出了这一结论。他们将这些同位素的离子捕获在 PTB 的离子阱中，然后使用超稳定激光驱动某些电子跃迁。这使他们能够确定特定跃迁的频率（2 S 1/2 → 2 D 5/2和2 S 1/2 → 2 F 7/2），精度达到 4 ×10 −9，这是迄今为止最高的。

他们还通过在 MPIK 的低温PENTATRAP 彭宁阱质谱仪中捕获单个高电荷 Yb 42+镱离子来测量镱同位素的原子质量。团队成员兼研究主要作者Menno Door解释说，在这个陷阱的强磁场中，离子必然会沿着圆形轨道运行。“我们通过放大周围电极中微小的感应电流来测量这个轨道的旋转频率，”他说。“测量到的频率使我们能够非常精确地确定各种同位素的相关质量比，精度为 4 ×10 −12。”

从这些数据中，研究人员能够提取出描述镱核如何变形的新参数。为了支持他们的发现，达姆施塔特工业大学由Achim Schwenk领导的团队在大型超级计算机上模拟了镱核，根据我们目前对强相互作用和电磁相互作用的理解，从第一原理计算出它们的结构。“这些计算证实了我们测量到的领先信号是由于镱同位素的核结构不断演变，而不是新的第五种力，”团队成员Matthias Heinz说。

团队成员Chih-Han Yeh告诉《物理世界》 ： “我们的工作是对日益增多的研究的补充，这些研究旨在对电子和中子之间可能出现的新型相互作用施加限制。在我们的工作中，我们实验的前所未有的精度完善了现有的限制。”

研究人员表示，他们现在想测量镱的其他同位素，包括中子数高或低的稀有同位素。“这样做将使我们能够控制不确定的‘高阶’核结构效应，并进一步改善对可能的新物理学的限制，”团队成员菲奥娜·柯克说。

Door 补充说，钙、锡和锶等其他元素的同位素链也值得研究。“这些研究将进一步检验我们对原子核结构和中子丰富物质的理解，并让我们能够再次探索可能的新物理学，”他说。

该研究的详细内容刊登在《物理评论快报》上。

来源：人工智能学家