Žinome keturias fundamentaliąsias sąveikas, tačiau fizikai jau seniai įtaria, kad egzistuoja ir penktoji. Diana Craik ir jos kolegos iš Ciuricho federalinio technologijos instituto („ETH Zürich“) Šveicarijoje mano, kad šią naują sąveiką aptiko medžiagoje, kurią savo aplinkoje naudojame kasdien.

Fizikai jau seniai žino keturias fundamentaliąsias sąveikas: gravitacinę, elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją. Vis dėlto jie visada numanė, kad egzistuoja ir penktoji. 

Dalelių fizikė Diana Craik ir jos kolegos iš Ciuricho federalinio technologijos instituto mano, kad padarė didžiausią atradimą fizikos pasaulyje per pastaruosius dešimtmečius. Atliekant novatorišką eksperimentą su medžiaga, kurią galima rasti bet kuriame vonios kambaryje, paaiškėjo kažkas, ko neįmanoma paaiškinti esamomis teorijomis ir modeliais. 

„Šis reiškinys labai skyrėsi nuo to, ko galėtume tikėtis remdamiesi mums žinomais fizikos dėsniais“, – sakė ji žurnalui „Iliustruotasis mokslas“. D. Craik yra įsitikinusi, kad šį reiškinį lemia mums dar nežinoma sąveika. 

Fundamentaliosios sąveikos stebina mokslininkus

Visatos struktūrą lemia keturios fundamentaliosios sąveikos, ir jos visos aprašytos visų Visatos elementariųjų dalelių ir sąveikų modelyje, vadinamame standartiniu. 

Elektromagnetinė sąveika lemia elektrinius ir magnetinius reiškinius. Stiprioji sąveika yra tai, kas laiko atomų branduolius kartu, nes priešingu atveju jie išsisklaidytų, mat juos sudaro teigiamą ir neutralų krūvį turinčios dalelės – protonai ir neutronai. Silpnoji sąveika lemia tam tikrų rūšių radioaktyvųjį skilimą. 

Ir pagaliau – gravitacija. Nors jos dėsnius dar XVII a. suformulavo Isaacas Newtonas, mokslininkai iki šiol nėra nustatę, kokia dalelė ją valdo, todėl jie tiksliai nežino, kaip gravitacija dera su standartiniu modeliu. 

Šiandien mes suprantame, kad šios keturios sąveikos yra pagrindinės mūsų Visatos veikimo sąlygos, tačiau, remdamiesi daugybe eksperimentų ir tolimų Visatos kampelių stebėjimu, fizikai žino, kad turėtų egzistuoti dar viena sąveika. 

Vis dar yra dalykų, kurių negalima paaiškinti pagal esamą modelį. Tebėra neaišku, kokios sąveikos veikia tuomet, kai matome, kad tamsioji energija verčia Visatą plėstis. Lygiai taip pat nepaaiškinama yra tamsioji medžiaga, kuri sudaro didelę dalį Visatos, tačiau yra nematoma. 

Eksperimentai didžiuosiuose dalelių greitintuvuose ir vis tikslesnis dalelių judėjimo matavimas atskleidė nedidelius nuokrypius nuo rezultatų, kurių tikėtumėmės, jeigu egzistuotų tik keturios fundamentaliosios sąveikos. 

Be to, eksperimentai, atlikti JAV „Fermilab“ dalelių greitintuve ir didžiausiame pasaulyje greitintuve LHC Šveicarijoje parodė nuokrypius nuo rezultatų, kurių turėtume tikėtis, jeigu veiktų tik keturios gamtos jėgos. Vadinasi, privalo egzistuoti dar viena sąveika. 

Kalcio sudėtyje gali slypėti nežinoma sąveika

Fizikai jau dešimtmečius ieško penktosios fundamentaliosios sąveikos. Eksperimentai daugiausia atliekami didžiausiuose dalelių greitintuvuose, pavyzdžiui, JAV esančiame „Fermilab“ ir Šveicarijos CERN. Ten fizikai milijardus dalelių pagreitina iki didžiausio įmanomo greičio, dalelės susiduria tarpusavyje, o per sekundės dalį po kiekvieno susidūrimo gali susidaryti naujos dar nežinomos sąveikos ir dalelės. 

Nežinomų sąveikų galėtume ieškoti ir visai sau po nosimi, kur kelios dalelės galėtų atskleisti netikėtus dalykus. Ir tam nereikia jokio dalelių greitintuvo. 

Vietoj dalelių greitintuvų kai kurie fizikai naudoja itin tikslius prietaisus, kuriais matuojami sugauti elektros krūvį turintys atomai – jonai. Būtent šį metodą dalelių fizikė D. Craik panaudojo matuodama tokį įprastą elementą kaip kalcis, ir tai davė netikėtų rezultatų. „Mes visiškai nesitikėjome to, ką pamatėme. Mums visiems tai buvo labai jaudinanti patirtis“, – sakė ji. 

D. Craik ir jos kolegos, naudodami stiprų magnetinį lauką, dar vadinamą jonų gaudykle, sulaikė skirtingų rūšių kalcio izotopus. Magnetiniame lauke sulaikytus izotopus mokslininkai apšvitino lazerio spinduliais. 

Atomas susideda iš kelių elektronų apvalkalų, turinčių skirtingus energijos lygmenis, todėl kai kalcio izotopai sugėrė energiją lazerio šviesos pavidalu, elektronai peršoko į aukštesnio energijos lygmens apvalkalą, tačiau ten likti amžinai jie negali, nes elektronas visada stengsis grįžti į pradinę padėtį. Prieš šokdamas atgal į žemesnės energijos lygmenį elektronas turi atsikratyti perteklinės energijos. Tai darydamas jis išspinduliuoja šviesos dalelę (fotoną).

Išmatavę fotonus, mokslininkai gali nustatyti kalcio izotopų energijos lygį ir vėliau jį galima palyginti su tuo, ko turėtume tikėtis remdamiesi keturiomis žinomomis fundamentaliosiomis sąveikomis pagal standartinį modelį. 

Pastaraisiais metais sparčiai tobulėjo tiek jonų gaudyklės, tiek lazerių technologija. Dėl to D. Craik ir jos kolegos pasiekė 100 kartų didesnį tikslumą nei ankstesniuose panašiuose eksperimentuose. 

Kolegos patvirtino rezultatus 

„Toks tikslumas leido komandai nustatyti, kad fotonų energija neatitiko keturių žinomų fundamentaliųjų sąveikų“, – aiškina D. Craik. Pasak jos, šie rezultatai reiškia, kad greičiausiai teks iš naujo apsvarstyti visą fizikos standartinį modelį. „Turime patikrinti, ar mums žinomos teorijos yra teisingos“, – sako ji. 

Pamačiusi rezultatus, D. Craik susisiekė su dviem kitomis mokslininkų grupėmis, kad duomenys būtų ištirti išsamiau. Vokietijos nacionalinio metrologijos instituto mokslininkų komanda atliko tų pačių kalcio izotopų, kuriuos analizavo D. Craik komanda, matavimą. Tuo pačiu metu Vokietijos fizikų komanda iš Maxo Plancko fizikos instituto patikrino, ar kalcio izotopų masės atitinka pirminius rezultatus. Australijos Naujojo Pietų Velso universiteto mokslininkų komanda peržiūrėjo visus duomenis ir skaičiavimą, gautą per eksperimentus Ciuriche. 

D. Craik komandos mokslininkai tikėjosi, kad kolegų pakartotiniai tyrimai atskleis nuobodų paaiškinimą: jie galbūt neteisingai apskaičiavo arba jų įranga buvo netiksli, tačiau tai neįvyko – standartinis modelis vis tiek negalėjo paaiškinti to, ką jie aptiko. 

„Kuo daugiau matavimų atliekama, tuo labiau galima atmesti galimybę, kad paaiškinimą įmanoma rasti įprastoje fizikoje. O mes vis stebėjome šį nežinomą reiškinį“, – aiškina D. Craik.

Penktoji sąveika glumina mokslininkus 

Per pastaruosius dešimtmečius kiti fizikai jau bandė apibūdinti penktąją fundamentaliąją sąveiką. Vieni ją apibūdina kaip jėgą, galinčią tiek priartinti elektronus prie atomo branduolių, tiek juos atstumti. 

Manoma, kad šią jėgą valdo su bozonais susijusi dalelė. Šios teorinės dalelės veikimo principas labai panašus į principus, kuriuos XX a. 4 deš. aprašė garsus japonų fizikas ir Nobelio premijos laureatas Hideki Yukawa. Būtent todėl ši dalelė dažnai vadinama Yukawos dalele. 

„Būdamas mokslininkas turi būti pasirengęs, kad nieko naujo nebeatrasi, tiesiog aprašysi ir paaiškinsi tai, ką fiksuoja tavo matavimo prietaisai. O kai duomenys rodo kažką naujo, reikia tai atidžiai patikrinti. Dabar esame tokioje stadijoje, kai turime išsiaiškinti, kodėl matome šiuos nuokrypius – visiškai naują reiškinį“, – aiškina D. Craik. 

Mokslininkų komanda vis dar bando paneigti galimybę, kad jų rezultatus įmanoma paaiškinti remiantis žinomais fizikos dėsniais. Taigi, nors D. Craik ir neskuba daryti pernelyg drąsių išvadų, vieną dalyką ji vis dėlto teigia drąsiai: „Standartinis modelis ir tradicinė fizika gali numatyti daugybę reiškinių, tačiau žinome, kad kažkas čia ne taip, nes yra dalykų, kurių jie negali paaiškinti. Kažkur turi būti klaida.“ 

Būtent šią spragą D. Craik ir jos kolegos bando aptikti ir nuodugniai ištirti. 

Šiuo metu fizikos pasaulyje gausu įvairių teorijų. Vienų mokslininkų nuomone, galbūt galime rasti atsakymus apie paslaptingąją tamsiąją medžiagą, kurios niekada tiesiogiai nesame stebėję. Kiti mano, kad penktoji fundamentalioji sąveika galėtų paaiškinti, kodėl iki šiol neradome dalelės, valdančios gravitaciją, ir kodėl šią sąveiką taip sunku įtraukti į standartinį modelį. 

Bet kokiu atveju, mokslininkai jau žino, kad atsakymo ieškoti reikia ne didžiuosiuose dalelių greitintuvuose ar tolimose Visatos gelmėse, o paprastame kalcio atome.