Десятиліттями фізики намагалися розкрити таємниці, приховані в ядрі атома, традиційно використовуючи масивні та складні прискорювачі частинок для бомбардування ядер електронами. Ці структури, часто тягнуться на кілометри, прискорюють електрони до неймовірно високих швидкостей у пошуках розуміння фундаментальних будівельних блоків матерії. Однак нові дослідження пропонують радикально інший підхід: використання власних електронів атома як мініатюрних «послів» в одній молекулі, створюючи новий спосіб вивчення ядерних взаємодій без потреби у величезній інфраструктурі.
Молекулярний «прискорювач»
Інноваційна техніка дослідницької групи поєднує атом радію з атомом фтору, щоб утворити молекулу монофториду радію. Використовуючи унікальні властивості цієї молекулярної структури, вони створили мікроскопічний «прискорювач», де електрони атома радію на короткий час проникають у його ядро. Потім дослідники змогли точно виміряти енергію цих електронів у молекулі, виявивши тонкі зсуви, які вказували на те, що електрони насправді ненадовго увійшли в ядро та взаємодіяли з його вмістом.
Виявлення порушень ядерної симетрії
Цей прорив має значний потенціал для вимірювання магнітного розподілу ядра, також відомого як розташування протонів і нейтронів у ньому впливає на його магнітні властивості. Дослідницька група підкреслює, що це дослідження є ранньою стадією, але вони очікують використовувати цей метод для отримання нових знань про ядро радію та, зрештою, розгадати деякі з найглибших таємниць у фізиці.
Вічною таємницею космології є драматичний дисбаланс між матерією та антиматерією у Всесвіті, який ми спостерігаємо. Сучасні моделі припускають, що ранній Всесвіт повинен був містити приблизно однакову кількість кожного з них; однак антиматерія сьогодні надзвичайно рідкісна. Вчені вважають, що підказки до цієї асиметрії можуть лежати у внутрішній роботі певних атомних ядер. Радій виділяється як багатообіцяючий кандидат завдяки своїй незвичайній грушоподібній формі, асиметрії, яка може збільшити потенціал для спостереження порушень фундаментальної симетрії.
Проблеми та перспективи на майбутнє
Незважаючи на багатообіцяючі результати, дослідники визнають проблеми, пов’язані з вивченням радію. Як короткоживучий радіоактивний елемент, молекули монофториду радію можуть вироблятися лише в невеликих кількостях, що вимагає неймовірно чутливих методів вимірювання.
«Коли ви поміщаєте цей радіоактивний атом у молекулу, внутрішнє електричне поле, яке відчувають його електрони, на порядки більше, ніж поля, які ми можемо створити та застосувати в лабораторії», — пояснює Сільвіу-Маріан Удреску, фізик з Університету Джона Гопкінса. «У певному сенсі молекула діє як гігантський прискорювач частинок і дає нам найкращий шанс дослідити радієве ядро».
Утримуючи й охолоджуючи молекули монофториду радію, а потім використовуючи лазери для вимірювання енергії електронів, дослідники змогли виявити тонкі зсуви в даних, що вказують на ядерні взаємодії.
«Тепер у нас є докази того, що ми можемо взяти зразок вмісту ядра. Це схоже на вимірювання електричного поля батареї. Люди можуть вимірювати його зовні, але вимірювати всередині батареї набагато складніше. І це те, що ми можемо зробити зараз», — каже Рональд Фернандо Гарсіа Руїс, фізик з Массачусетського технологічного інституту та співавтор дослідження.
Це відкриття може радикально змінити те, як фізики вивчають атомні ядра, відкривши нові можливості для вивчення фундаментальних симетрій природи. Дослідницька група оптимістично налаштована на те, що молекули, що містять радій, виявляться виключно чутливими системами для пошуку цих порушень симетрії, і тепер у них є новий інструмент для проведення цього пошуку.
