В ходе исследования атомов иттербия, которое провели учёные из Германии и Австралии, открылись новые возможности для изучения тёмной материи и структуры атомных ядер.
Исследование было спровоцировано обнаруженной в 2020 году аномалией учёными из Массачусетского технологического института при исследовании изотопных сдвигов в электронных переходах атомов иттербия. Аномалия вызвала большой интерес в научном сообществе, так как могла указывать на существование «тёмных сил», выступающих посредниками между обычной и темной материей.
Команды провели высокоточные измерения частот атомных переходов и массовых соотношений изотопов иттербия для проверки гипотезы. В PTB использовались линейные высокочастотные ионные ловушки и сверхстабильные лазерные системы для оптической спектроскопии. В MPIK массовые соотношения изотопов определялись масс-спектрометром PENTATRAP с ловушкой Пеннинга. Ловушка Пеннинга — устройство, удерживающее заряженные частицы в ограниченном пространстве с помощью электрического и магнитного полей, что позволяет изучать отдельные частицы в изолированном состоянии. Эти измерения были до ста раз точнее предыдущих аналогичных экспериментов.
Исследования подтвердили наличие ранее обнаруженной в MIT аномалии. Благодаря новым расчётам структуры ядер атомов 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 установили новый предел существования «тёмных сил».
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.
Исследование открывает новые возможности для сотрудничества между атомной, ядерной и физикой элементарных частиц при поиске новых физических явлений и лучшем понимании процессов, определяющих структуру материи.