Физики используют одну молекулу в качестве коллайдера мелких частиц
Чтобы изучить внутреннюю работу ядра атома, ученые традиционно полагались на сложные коллайдеры частиц, чтобы разорвать ядра на части электронами.
Эти коллайдеры часто требуют больших возможностей, некоторые из которых могут ускорять электроны до головокружительных скоростей в поисках секретов внутри ядер.
В новом исследовании исследователи предлагают более простую, гораздо меньшую по масштабу альтернативу. Они собрали данные из внутренних ядер без всего этого, вместо этого завербовав собственные электроны атома в качестве «посланников» в диатомовой молекуле.
Огромный 56-мильный размазыватель частиц возможен, говорится в отчете CERN
Они сделали это, соединив атом радия с атомом фтора, образовав молекулу монофторида радия.На основе свойств внутримолекулярной среды они создали своего рода микроскопический коллайдер, в который электроны атома радия ненадолго проникли в его ядро.
Это позволило исследователям точно контролировать энергии электронов в молекуле, что выявило тонкий сдвиг энергии. Электроны, очевидно, совершали короткие вылазки в ядро радия и взаимодействовали с его содержимым.
Это может представлять собой новый способ измерения магнитного распределения ядра или того, как его расположение протонов и нейтронов влияет на его магнитные свойства.
Новое исследование является ранним шагом, отмечают исследователи, но они планируют использовать эту технику, чтобы пролить новый свет на ядро радия. Такое понимание может помочь решить ключевые загадки в физике, например, почему Вселенная, кажется, содержит гораздо больше материи, чем антиматерии.
«Наши результаты закладывают основу для последующих исследований, направленных на измерение нарушений фундаментальных симметрий на ядерном уровне, — говорит соавтор исследования физика MIT Рональд Фернандо Гарсия Руис. — Это может дать ответы на некоторые из самых насущных вопросов в современной физике».
Современные модели предполагают, что в «младенческой Вселенной» должно быть примерно одинаковое количество материи и антиматерии, но последнее подозрительно редко. Вместо этого мы находим, что в основном материя во Вселенной сегодня, очевидное нарушение ожидаемой симметрии между ними.
Ученые подозревают, что ответы скрываются в определенных атомных ядрах, внутренности которых могут содержать подсказки о дефиците их аналогов антиматерии.
Больше в науке
Радий является основным кандидатом, объясняют исследователи, из-за грушевидной формы его ядра.Большинство атомных ядер сферические; асимметричная архитектура радия может повысить наблюдаемость фундаментальных нарушений симметрии.
«Предсказывается, что ядро радия является усилителем нарушения симметрии, потому что его ядро асимметрично по заряду и массе, что довольно необычно», — говорит Гарсия Руис.
Но это все равно крепкий орешек.
«Радий, естественно, радиоактивен, с коротким сроком службы, и в настоящее время мы можем производить только монофторидные молекулы радия в крошечных количествах, — говорит ведущий автор и физик Шейн Уилкинс, бывший постдок Массачусетского технологического института, теперь в Университете штата Мичиган. — Поэтому нам нужны невероятно чувствительные методы, чтобы иметь возможность их измерять».
Ключ заключается в том, чтобы встроить атом радия в молекулу, которая содержит и усиливает активность его электронов, объясняет соавтор Сильвиу-Мариан Удреску, физик из Университета Джона Хопкинса, который внес свой вклад в исследование в качестве аспиранта в MIT.
«Когда вы помещаете этот радиоактивный атом внутрь молекулы, внутреннее электрическое поле, которое испытывают ее электроны, на порядки больше по сравнению с полями, которые мы можем производить и применять в лаборатории, — говорит Удреску. — В некотором смысле молекула действует как гигантский коллайдер частиц и дает нам больше шансов исследовать ядро радия».
Внутри монофторида радия электроны атома радия были ограничены таким образом, что увеличивали их шансы на вход в ядро.Исследователи ограничивали и охлаждали молекулы, а затем использовали лазеры для измерения энергии электронов внутри них.
Крошечные, но значительные сдвиги в данных намекали на предприятия внутри ядра.
«Существует много экспериментов по измерению взаимодействия между ядрами и электронами вне ядра, и мы знаем, как эти взаимодействия выглядят», — говорит Уилкинс.
«Когда мы очень точно измеряли эти энергии электронов, это не совсем соответствовало тому, что мы ожидали, предполагая, что они взаимодействуют только за пределами ядра, — добавляет он. — Это сказало нам, что разница должна быть связана с электронными взаимодействиями внутри ядра».
Это открытие может революционизировать нашу способность изучать атомные ядра, сообщают исследователи. Хотя мы знаем, насколько упрямо неуловимыми могут быть субатомные частицы; они не сдаются легко.
«Теперь у нас есть доказательства того, что мы можем пробовать внутри ядра. Это как возможность измерить электрическое поле батареи. Люди могут измерить его поле снаружи, но измерять внутри батареи гораздо сложнее. И это то, что мы можем сделать сейчас», — говорит Гарсия Руис.
«Предсказывается, что содержащие радий молекулы являются исключительно чувствительными системами, в которых можно искать нарушения фундаментальных симметрий природы», — добавляет он. — «Теперь у нас есть способ провести этот поиск».
Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
