Физики из Массачусетского технологического института (MIT) разработали инновационную методику для изучения внутренней структуры атомного ядра, используя собственные электроны атома в качестве «посланников» внутри молекулы. Это открывает новые горизонты в понимании фундаментальных свойств материи.
В исследовании, опубликованном 23 октября в журнале Science, команда ученых провела точные измерения энергии электронов, вращающихся вокруг атома радия, который был химически связан с атомом фтора, образуя монофторид радия. Используя молекулярное окружение как микроскопический эквивалент ускорителя частиц, они смогли ограничить электроны атома радия и увеличить вероятность того, что некоторые из них ненадолго проникнут в ядро.
В отличие от традиционных экспериментов, изучающих внутреннее строение ядер, которые требуют ускорителей частиц километровых размеров для разгона электронных пучков, сталкивающихся с ядрами и фрагментирующих их, новый подход, основанный на молекулах, предлагает компактный, «настольный» способ непосредственного зондирования ядра.
Работая с монофторидом радия, исследователи отслеживали энергии электронов атома радия по мере их движения внутри молекулы. Они заметили небольшое изменение энергии и сделали вывод, что некоторые электроны должны были кратковременно войти в ядро и взаимодействовать с его содержимым. Покидая ядро, эти электроны сохраняли изменение энергии, эффективно неся «сообщение» о ядре, которое раскрывает особенности его внутренней структуры.
Этот метод открывает путь к измерению «магнитного распределения» ядра. Внутри ядра каждый протон и нейтрон ведут себя как крошечные магниты, и их ориентация зависит от того, как расположены эти частицы. Команда планирует впервые использовать эту технику для картографирования данного свойства в радии, что может помочь разрешить одну из центральных загадок космологии: почему во Вселенной значительно больше материи, чем антиматерии.
«Наши результаты закладывают основу для последующих исследований, направленных на измерение нарушений фундаментальных симметрий на ядерном уровне», – отмечает соавтор исследования Рональд Фернандо Гарсия Руис, доцент физики в MIT. – «Это может дать ответы на некоторые из самых острых вопросов современной физики». Среди соавторов из MIT также Шейн Уилкинс, Сильвиу-Мариан Удреску и Алекс Бринсон, а также коллеги из нескольких учреждений, включая эксперимент Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS) в ЦЕРНе (Швейцария), где проводились эксперименты.
Согласно современным представлениям, ранняя Вселенная должна была содержать почти равные количества материи и антиматерии. Однако почти все, что мы можем обнаружить сегодня, представляет собой материю, состоящую из протонов и нейтронов внутри атомных ядер.
Это наблюдение противоречит ожиданиям Standard Model, предполагая, что для объяснения дефицита антиматерии необходимы дополнительные источники нарушения фундаментальной симметрии. Такие эффекты могут проявляться в ядрах некоторых атомов, включая радий.
В отличие от большинства ядер, которые имеют почти сферическую форму, ядро радия обладает асимметричной, грушевидной формой. Теоретики предсказывают, что эта геометрия может достаточно усилить сигналы нарушения симметрии, чтобы сделать их потенциально наблюдаемыми.
«Ядро радия, как предсказывается, является усилителем этого нарушения симметрии, потому что его ядро асимметрично по заряду и массе, что совершенно необычно», – объясняет Гарсия Руис, чья группа сосредоточена на разработке методов для исследования ядер радия на предмет признаков нарушения фундаментальной симметрии.
Создание сверхчувствительных молекулярных экспериментов для заглядывания внутрь ядра радия и проверки фундаментальных симметрий является чрезвычайно сложной задачей.
«Радий по своей природе радиоактивен, имеет короткий период полураспада, и в настоящее время мы можем производить молекулы монофторида радия лишь в ничтожных количествах», – говорит ведущий автор исследования Шейн Уилкинс, бывший постдок в MIT. – «Поэтому нам нужны невероятно чувствительные методы для их измерения».
Команда осознала, что встраивание атома радия в молекулу может ограничить и усилить поведение его электронов.
«Когда вы помещаете этот радиоактивный атом внутрь молекулы, внутреннее электрическое поле, которое испытывают его электроны, на порядки больше по сравнению с полями, которые мы можем создать и применить в лаборатории», – объясняет Сильвиу-Мариан Удреску, доктор философии 2024 года, соавтор исследования. – «В некотором смысле, молекула действует как гигантский ускоритель частиц и дает нам больше шансов зондировать ядро радия».
Исследователи создали монофторид радия, соединив атомы радия с атомами фтора. В этой молекуле электроны радия эффективно «сжимаются», что увеличивает вероятность их взаимодействия с ядром радия и кратковременного проникновения внутрь него.
Затем они захватывали и охлаждали молекулы, направляли их через вакуумные камеры и освещали лазерами, настроенными на взаимодействие с молекулами. Эта установка позволила провести точные измерения энергии электронов внутри каждой молекулы.
Измеренные энергии показали тонкое отличие от ожиданий, основанных на электронах, которые не проникают в ядро. Хотя изменение энергии составляло всего лишь около одной миллионной части энергии лазерного фотона, используемого для возбуждения молекул, оно предоставило четкие доказательства того, что электроны взаимодействовали с протонами и нейтронами внутри ядра радия.
«Существует множество экспериментов, измеряющих взаимодействия между ядрами и электронами вне ядра, и мы знаем, как выглядят эти взаимодействия», – объясняет Уилкинс. – «Когда мы стали очень точно измерять эти энергии электронов, они не совсем соответствовали тому, что мы ожидали, предполагая их взаимодействие только вне ядра. Это подсказало нам, что разница должна быть вызвана взаимодействием электронов внутри ядра».
«Теперь у нас есть доказательство того, что мы можем брать пробы внутри ядра», – говорит Гарсия Руис. – «Это похоже на возможность измерить электрическое поле батареи. Люди могут измерять ее поле снаружи, но измерить внутри батареи гораздо сложнее. И это то, что мы можем делать теперь».
В дальнейшем команда планирует применить новую технику для картографирования распределения сил внутри ядра. Их эксперименты до сих пор включали ядра радия, которые располагались в случайных ориентациях внутри каждой молекулы при высокой температуре. Гарсия Руис и его соавторы хотели бы иметь возможность охлаждать эти молекулы и контролировать ориентацию их грушевидных ядер, чтобы они могли точно картографировать их содержимое и искать нарушения фундаментальных симметрий.
«Молекулы, содержащие радий, предсказываются как исключительно чувствительные системы для поиска нарушений фундаментальных симметрий природы», – заключает Гарсия Руис. – «Теперь у нас есть способ провести этот поиск».
Это исследование было частично поддержано U.S. Department of Energy.
