Физики из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый способ исследования ядра атома, используя собственные электроны атома в качестве «посланников» внутри молекулы.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Science, физики точно измерили энергию электронов, движущихся вокруг атома радия, который был соединён с атомом фтора для получения молекулы монофторида радия. Они использовали среду внутри молекул в качестве своеобразного микроскопического коллайдера частиц, который содержал электроны атома радия и побуждал их ненадолго проникать в ядро атома.
Обычно эксперименты по исследованию ядра атома включают в себя использование массивных установок длиной в километры, которые ускоряют пучки электронов до скоростей, достаточных для столкновения с ядрами и их разрушения. Новый метод, основанный на использовании молекул, предлагает настольный альтернативный способ прямого исследования ядра атома.
Внутри молекул монофторида радия команда измерила энергию электронов атома радия, когда они двигались внутри молекулы. Они обнаружили незначительный сдвиг энергии и определили, что электроны, должно быть, ненадолго проникли в ядро атома радия и взаимодействовали с его содержимым. Когда электроны возвращались обратно, они сохраняли этот сдвиг энергии, предоставляя ядерное «сообщение», которое можно было проанализировать для определения внутренней структуры ядра атома.
Метод команды предлагает новый способ измерения «магнитного распределения» в ядре. В ядре каждый протон и нейтрон действует как небольшой магнит, и они выстраиваются по-разному в зависимости от того, как распределены протоны и нейтроны в ядре. Команда планирует впервые применить свой метод для точного отображения этого свойства ядра радия. Результаты могут помочь ответить на один из самых больших вопросов космологии: почему во Вселенной мы наблюдаем гораздо больше материи, чем антиматерии?
«Наши результаты закладывают основу для последующих исследований, направленных на измерение нарушений фундаментальных симметрий на ядерном уровне», — говорит соавтор исследования Рональд Фернандо Гарсия Руис, доцент кафедры физики в MIT. «Это может дать ответы на некоторые из самых насущных вопросов современной физики».
Среди соавторов исследования из MIT — Шейн Уилкинс, Сильвиу-Мариан Удреску и Алекс Бринсон, а также сотрудники из различных учреждений, включая эксперимент по коллинеарной резонансной ионизационной спектроскопии (CRIS) в ЦЕРНе в Швейцарии, где эксперименты были проведены.
Молекулярная ловушка
Согласно лучшим представлениям учёных, когда Вселенная только возникла, материи и антиматерии должно было быть почти поровну. Однако подавляющее большинство того, что учёные могут измерить и наблюдать во Вселенной, состоит из материи, строительными блоками которой являются протоны и нейтроны в атомных ядрах.
Это наблюдение резко контрастирует с тем, что предсказывает наша лучшая теория природы — Стандартная модель, и считается, что для объяснения почти полного отсутствия антиматерии в нашей Вселенной необходимы дополнительные источники нарушения фундаментальной симметрии. Такие нарушения можно увидеть в ядрах некоторых атомов, таких как радий.
В отличие от большинства атомных ядер, которые имеют сферическую форму, ядро атома радия имеет более асимметричную конфигурацию, похожую на грушу. Учёные предсказывают, что такая форма может значительно повысить их способность обнаруживать нарушение фундаментальных симметрий, вплоть до того, что оно может быть потенциально наблюдаемым.
«Ядро радия, как ожидается, будет усилителем нарушения симметрии, потому что его ядро асимметрично по заряду и массе, что довольно необычно», — говорит Гарсия Руис, чья группа занимается разработкой методов исследования ядер радия на предмет признаков нарушения фундаментальной симметрии.
Заглянуть внутрь ядра атома радия для изучения фундаментальных симметрий — невероятно сложная задача.
«Радий радиоактивен от природы, имеет короткий срок жизни, и мы можем производить молекулы монофторида радия только в крошечных количествах», — говорит ведущий автор исследования Шейн Уилкинс, бывший научный сотрудник MIT. «Поэтому нам нужны невероятно чувствительные методы, чтобы иметь возможность их измерить».
Команда поняла, что, поместив атом радия в молекулу, они могут контролировать и усиливать поведение его электронов.
«Когда вы помещаете этот радиоактивный атом в молекулу, внутреннее электрическое поле, которое испытывают его электроны, на порядки больше по сравнению с полями, которые мы можем создавать и применять в лаборатории», — объясняет Сильвиу-Мариан Удреску, соавтор исследования. «В некотором смысле молекула действует как гигантский коллайдер частиц и даёт нам больше шансов исследовать ядро радия».
Сдвиг энергии
В своём новом исследовании команда сначала соединила атомы радия с атомами фтора для получения молекул монофторида радия. Они обнаружили, что в этой молекуле электроны атома радия были эффективно сжаты, что увеличивало вероятность их взаимодействия с ядром радия и кратковременного проникновения в него.
Затем команда захватила и охладила молекулы и пропустила их через систему вакуумных камер, в которые они также направили лазеры, которые взаимодействовали с молекулами. Таким образом исследователи смогли точно измерить энергию электронов внутри каждой молекулы.
Подсчитав энергию, они обнаружили, что электроны, по-видимому, имели немного другую энергию по сравнению с той, которую физики ожидают, если бы они не проникали в ядро. Хотя этот сдвиг энергии был невелик — всего миллионная часть энергии фотона лазера, использованного для возбуждения молекул, — он дал однозначное доказательство взаимодействия электронов молекул с протонами и нейтронами внутри ядра радия.
«Существует множество экспериментов по измерению взаимодействий между ядрами и электронами вне ядра, и мы знаем, как эти взаимодействия выглядят», — объясняет Уилкинс. «Когда мы решили очень точно измерить эти энергии электронов, они не совсем соответствовали тому, что мы ожидали, если бы они взаимодействовали только вне ядра. Это подсказало нам, что разница должна быть обусловлена взаимодействием электронов внутри ядра».
«Теперь у нас есть доказательство того, что мы можем проводить отбор проб внутри ядра», — говорит Гарсия Руис. «Это как если бы можно было измерить электрическое поле батареи. Люди могут измерить его поле снаружи, но измерить внутри батареи гораздо сложнее. И это то, что мы можем сделать сейчас».
В дальнейшем команда планирует применить новый метод для картирования распределения сил внутри ядра. Их эксперименты до сих пор включали ядра радия, которые находятся в случайных ориентациях внутри каждой молекулы при высокой температуре. Гарсия Руис и его сотрудники хотели бы иметь возможность охладить эти молекулы и контролировать ориентацию их грушевидных ядер, чтобы они могли точно отобразить их содержимое и найти нарушения фундаментальных симметрий.
«Молекулы, содержащие радий, по прогнозам, являются исключительно чувствительными системами для поиска нарушений фундаментальных симметрий природы», — говорит Гарсия Руис. «Теперь у нас есть способ провести этот поиск».
Это исследование частично финансировалось Министерством энергетики США.
Статья: «Наблюдение за распределением ядерной намагниченности в молекуле».