На протяжении десятилетий физики стремились раскрыть секреты, скрытые в ядре атома, традиционно используя массивные и сложные ускорители частиц, чтобы обстреливать ядра электронами. Эти сооружения, часто простирающиеся на километры, разгоняют электроны до невероятно высоких скоростей в поисках понимания фундаментальных строительных блоков материи. Однако новое исследование предлагает радикально иной подход: использование собственных электронов атома в качестве миниатюрных «послов» внутри одной молекулы, создавая новый способ изучения ядерных взаимодействий без необходимости огромной инфраструктуры.
Молекулярный «ускоритель»
Инновационная техника исследовательской группы заключается в объединении атома радия с атомом фтора для образования молекулы монофторида радия. Используя уникальные свойства этой молекулярной структуры, они создали микроскопический «ускоритель», где электроны атома радия на короткое время проникают в его ядро. Исследователям затем удалось точно измерить энергии этих электронов внутри молекулы, выявляя тонкие сдвиги, которые указывали на то, что электроны действительно на короткое время входят в ядро и взаимодействуют с его содержимым.
Раскрытие нарушений ядерной симметрии
Этот прорыв имеет значительный потенциал для измерения магнитного распределения ядра, также известного как то, как его расположение протонов и нейтронов влияет на его магнитные свойства. Исследовательская группа подчеркивает, что это исследование представляет собой ранний этап, но они рассчитывают использовать этот метод, чтобы получить новые знания о ядре радия и, в конечном счете, разрешить некоторые из самых глубоких загадок физики.
Непреходящая загадка космологии — это резкий дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной, которую мы наблюдаем. Современные модели предполагают, что в ранней Вселенной должно было содержаться примерно одинаковое количество каждого из них; однако антиматерия сегодня встречается крайне редко. Ученые полагают, что подсказки к этой асимметрии могут скрываться во внутренних процессах определенных атомных ядер. Радий выделяется как многообещающий кандидат благодаря своей необычной, грушевидной форме — асимметрии, которая может усилить потенциал для наблюдения за нарушениями фундаментальных симметрий.
Проблемы и перспективы будущего
Несмотря на многообещающие результаты, исследователи признают проблемы, связанные с изучением радия. Как радиоактивный элемент с коротким сроком жизни, молекулы монофторида радия можно производить только в небольших количествах, что требует невероятно чувствительных методов измерения.
«Когда вы помещаете этот радиоактивный атом в молекулу, внутреннее электрическое поле, которое испытывают его электроны, на порядки величины больше по сравнению с полями, которые мы можем производить и применять в лаборатории», — объясняет Силвиу-Мариан Удреску, физик из Университета Джонса Хопкинса. «В некотором смысле молекула действует как гигантский ускоритель частиц и дает нам лучший шанс исследовать ядро радия.»
Ограничивая и охлаждая молекулы монофторида радия и затем используя лазеры для измерения энергий электронов, исследователи смогли обнаружить тонкие сдвиги в данных, указывающие на ядерные взаимодействия.
«Теперь у нас есть доказательство того, что мы можем пробовать содержимое ядра. Это похоже на то, чтобы измерять электрическое поле батареи. Люди могут измерять его снаружи, но измерение внутри батареи гораздо сложнее. И именно это мы можем делать сейчас», — говорит Рональд Фернандо Гарсия Руис, физик из Массачусетского технологического института и соавтор исследования.
Это открытие могло бы радикально изменить то, как физики изучают атомные ядра, открывая новые возможности для изучения фундаментальных симметрий природы. Исследовательская группа оптимистично настроена относительно того, что содержащие радий молекулы окажутся исключительно чувствительными системами для поиска этих нарушений симметрии, и теперь у них есть новый инструмент для проведения этого поиска.
