Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, die Geheimnisse im Kern eines Atoms zu entschlüsseln, indem sie traditionell massive und komplexe Teilchenbeschleuniger einsetzen, um Kerne mit Elektronen zu bombardieren. Diese oft kilometerlangen Anlagen beschleunigen Elektronen auf unglaublich hohe Geschwindigkeiten, um die Grundbausteine der Materie zu verstehen. Eine neue Studie schlägt jedoch einen völlig anderen Ansatz vor: die Nutzung der Elektronen eines Atoms als Miniatur-„Boten“ innerhalb eines einzelnen Moleküls und schafft so eine neuartige Möglichkeit, nukleare Wechselwirkungen zu untersuchen, ohne dass eine enorme Infrastruktur erforderlich ist.
Ein molekularer „Collider“
Die innovative Technik des Forschungsteams besteht darin, ein Radiumatom mit einem Fluoratom zu paaren, um ein Radiummonofluoridmolekül zu bilden. Indem sie die einzigartigen Eigenschaften dieser Molekülstruktur nutzten, erzeugten sie einen mikroskopischen „Collider“, in dem die Elektronen des Radiumatoms vorübergehend in seinen Kern eindringen. Anschließend konnten die Forscher die Energien dieser Elektronen innerhalb des Moleküls präzise messen und dabei subtile Verschiebungen feststellen, die darauf hindeuteten, dass die Elektronen tatsächlich kurzzeitig in den Kern eindrangen und mit dessen Inhalt interagierten.
Aufdeckung von Verstößen gegen die nukleare Symmetrie
Dieser Durchbruch birgt erhebliches Potenzial für die Messung der magnetischen Verteilung eines Kerns, auch bekannt als der Einfluss seiner Anordnung von Protonen und Neutronen auf seine magnetischen Eigenschaften. Das Team betont, dass diese Forschung einen frühen Schritt darstellt, sie gehen jedoch davon aus, diese Methode zu nutzen, um neue Einblicke in den Radiumkern zu gewinnen und letztendlich einige der tiefgreifendsten Rätsel der Physik zu lösen.
Ein hartnäckiges Rätsel in der Kosmologie ist das starke Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im beobachtbaren Universum. Aktuelle Modelle deuten darauf hin, dass das sehr frühe Universum von beiden ungefähr gleiche Mengen enthalten haben sollte; Allerdings ist Antimaterie heute bemerkenswert selten. Wissenschaftler vermuten, dass Hinweise auf diese Asymmetrie im Innenleben bestimmter Atomkerne liegen könnten. Radium ist aufgrund seiner ungewöhnlichen, birnenförmigen Form ein vielversprechender Kandidat – eine Asymmetrie, die das Potenzial für die Beobachtung von Verletzungen grundlegender Symmetrien erhöhen könnte.
Herausforderungen und Zukunftsaussichten
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse erkennen Forscher die Herausforderungen an, die mit der Untersuchung von Radium verbunden sind. Als natürlich radioaktives Element mit kurzer Lebensdauer können Radiummonofluorid-Moleküle nur in winzigen Mengen hergestellt werden, was äußerst empfindliche Messtechniken erfordert.
„Wenn man dieses radioaktive Atom in ein Molekül einfügt, ist das interne elektrische Feld, dem seine Elektronen ausgesetzt sind, um Größenordnungen größer als die Felder, die wir in einem Labor erzeugen und anwenden können“, erklärt Silviu-Marian Udrescu, Physiker an der Johns Hopkins University. „In gewisser Weise wirkt das Molekül wie ein riesiger Teilchenbeschleuniger und gibt uns eine bessere Chance, den Kern des Radiums zu untersuchen.“
Durch das Einschließen und Kühlen der Radiummonofluoridmoleküle und den anschließenden Einsatz von Lasern zur Messung der Elektronenenergie konnten die Forscher subtile Verschiebungen in den Daten erkennen, die auf nukleare Wechselwirkungen hinweisen.
„Wir haben jetzt Beweise dafür, dass wir im Inneren des Kerns Proben nehmen können. Es ist, als ob man das elektrische Feld einer Batterie messen könnte. Menschen können ihr Feld außerhalb messen, aber innerhalb der Batterie zu messen ist weitaus schwieriger. Und genau das können wir jetzt tun“, sagt Ronald Fernando Garcia Ruiz, Mitautor der MIT-Physikerstudie.
Diese Entdeckung könnte die Art und Weise, wie Physiker Atomkerne untersuchen, grundlegend verändern und neue Wege für die Erforschung der grundlegenden Symmetrien der Natur eröffnen. Das Forschungsteam ist optimistisch, dass sich radiumhaltige Moleküle als äußerst empfindliche Systeme für die Suche nach diesen Symmetrieverletzungen erweisen werden, und verfügt nun über ein neuartiges Werkzeug, um diese Suche durchzuführen.
