Przez dziesięciolecia fizycy starali się odkryć tajemnice ukryte w jądrze atomu, tradycyjnie wykorzystując masywne i złożone akceleratory cząstek do bombardowania jąder elektronami. Struktury te, często rozciągające się na kilometry, przyspieszają elektrony do niewiarygodnie dużych prędkości w dążeniu do zrozumienia podstawowych elementów budulcowych materii. Jednak nowe badania proponują radykalnie odmienne podejście: wykorzystanie własnych elektronów atomu jako miniaturowych „ambasadorów” w pojedynczej cząsteczce, tworząc nowy sposób badania interakcji jądrowych bez konieczności tworzenia ogromnej infrastruktury.
Molekularny „akcelerator”
Innowacyjna technika zastosowana przez zespół badawczy łączy atom radu z atomem fluoru, tworząc cząsteczkę monofluorku radu. Wykorzystując unikalne właściwości tej struktury molekularnej, stworzyli mikroskopijny „akcelerator”, w którym elektrony atomu radu na krótko przedostawały się do jego jądra. Naukowcy byli następnie w stanie dokładnie zmierzyć energie tych elektronów w cząsteczce, ujawniając subtelne przesunięcia, które wskazywały, że elektrony faktycznie na krótko przedostawały się do jądra i wchodziły w interakcję z jego zawartością.
Ujawnianie naruszeń symetrii jądrowej
To przełomowe odkrycie ma znaczny potencjał w zakresie pomiaru rozkładu magnetycznego jądra, znanego również jako wpływ rozmieszczenia protonów i neutronów na jego właściwości magnetyczne. Zespół badawczy podkreśla, że badania te stanowią wczesny etap, ale spodziewają się, że dzięki tej metodzie zyskają nową wiedzę na temat jądra radu i ostatecznie rozwiążą niektóre z najgłębszych zagadek fizyki.
Niezmienną tajemnicą kosmologii jest dramatyczny brak równowagi pomiędzy materią i antymaterią we wszechświecie, który obserwujemy. Obecne modele sugerują, że wczesny Wszechświat musiał zawierać mniej więcej równe ilości każdego z nich; jednakże antymateria jest dziś niezwykle rzadka. Naukowcy uważają, że wskazówki dotyczące tej asymetrii mogą leżeć w wewnętrznym funkcjonowaniu niektórych jąder atomowych. Rad wyróżnia się jako obiecujący kandydat ze względu na swój nietypowy kształt gruszki i asymetrię, która może zwiększyć potencjał obserwacji naruszeń podstawowych symetrii.
Problemy i perspektywy na przyszłość
Pomimo obiecujących wyników naukowcy zdają sobie sprawę z wyzwań związanych z badaniem radu. Jako pierwiastek radioaktywny krótkotrwały, cząsteczki monofluorku radu mogą być wytwarzane jedynie w małych ilościach, co wymaga niezwykle czułych technik pomiarowych.
„Kiedy umieścisz ten radioaktywny atom w cząsteczce, wewnętrzne pole elektryczne, którego doświadczają jego elektrony, jest o rząd wielkości większe w porównaniu z polami, które możemy wytworzyć i zastosować w laboratorium” – wyjaśnia Silviu-Marian Udrescu, fizyk z Johns Hopkins University. „W pewnym sensie cząsteczka działa jak gigantyczny akcelerator cząstek i daje nam największą szansę na zbadanie rdzenia radowego”.
Uwięzając i schładzając cząsteczki monofluorku radu, a następnie wykorzystując lasery do pomiaru energii elektronów, badaczom udało się wykryć subtelne przesunięcia w danych wskazujących na interakcje jądrowe.
„Teraz mamy dowód, że możemy pobrać próbkę zawartości rdzenia. To jak mierzenie pola elektrycznego baterii. Można je zmierzyć na zewnątrz, ale pomiar wewnątrz baterii jest znacznie trudniejszy. I właśnie to możemy teraz zrobić” – mówi Ronald Fernando Garcia Ruiz, fizyk z MIT i współautor badania.
Odkrycie to może radykalnie zmienić sposób, w jaki fizycy badają jądra atomowe, otwierając nowe możliwości badania podstawowych symetrii natury. Zespół badawczy jest optymistą, że cząsteczki zawierające rad okażą się wyjątkowo czułymi systemami do wyszukiwania takich przerw symetrii, a teraz mają nowe narzędzie do przeprowadzania tych poszukiwań.
