Впервые физики заглядывают внутрь ядра молекулы, используя электроны в качестве зонда.
- При покупке по ссылкам на наши статьи, Future и его партнеры по синдикации могут получить комиссию.
Физики изучили редкую молекулу, чтобы впервые увидеть, как магнетизм распределен в радиоактивном ядре.
Правила природы, вообще говоря, не меняются. Если бросить мяч в Сиэтле или в Токио, он падает одинаково. Физики называют это «симметрией», и они используют симметрию как руководство к тому, как должна вести себя Вселенная. Именно это держит мир последовательным — если бы законы физики работали по-разному по вторникам, Вселенная была бы хаосом.
Но некоторые части природы, похоже, не следуют этому идеальному балансу. Например, может показаться справедливым предположить, что Вселенная должна относиться к материи и антиматерии как к равным. Тем не менее, наша Вселенная почти полностью состоит из материи.
Одно из перспективных мест для поиска ответов находится внутри радиоактивных ядер. Это потому, что неравномерное расположение протонов и нейтронов может увеличить мельчайшие разрывы симметрии. Если ученые смогут обнаружить эти небольшие асимметрии, это может выявить новую физику за пределами Стандартной модели, согласно Сильвиу-Мариану Удреску, физику из Массачусетского технологического института и соавтору нового исследования этого явления.
В исследовании, опубликованном 23 октября в журнале Science, ученые из ЦЕРН и Массачусетского технологического института изучили недолговечную радиоактивную молекулу, называемую монофторидом радия (RaF), для измерения ее энергетического спектра. Но, как ни удивительно, они в конечном итоге сделали первое наблюдение того, как магнетизм распределен в одном из его ядер. Это явление, известное как эффект Бора-Вайскопфа, никогда не было замечено в молекуле раньше.
Авокадо атома
Молекула RaF состоит из двух атомов: радия и фтора. Каждый со своим ядром. Ядро радия обладает свойством, называемым «октупольной деформацией».
«Вы можете думать о нем как о ядре, имеющем форму груши или авокадо, — сказал в интервью Live Science Шейн Уилкинс, физик из Массачусетского технологического института и первый автор исследования. — Из-за его асимметричной формы RaF делает идеального кандидата для поиска асимметрий, которые искала команда».
«Это очень редкое свойство, — добавил Удреску. — Оно встречается только в нескольких горстках атомных ядер по всей ядерной карте. И все те ядра, которые имеют эту форму груши, радиоактивны».
Радиоактивность затрудняет изучение таких ядер, потому что эти изотопы нестабильны и недолговечны. Это означает, что они распадаются в течение примерно 15 дней и могут исчезнуть до того, как исследователи смогут сделать много измерений.
Эффект Бора-Вайскопфа наблюдался в отдельных атомах, где электроны взаимодействуют с одним ядром. Однако обнаружить его внутри молекулы сложнее. Это связано с тем, что электроны постоянно перемещаются между двумя ядрами. Движение может размыть магнитные сигналы и сделать их более трудными для обнаружения. В молекуле RaF атом фтора является более простым партнером связи. Это позволяет ученым сосредоточиться на магнитной структуре более тяжелого ядра радия.
Команда впервые создала монофторид радия на объекте ISOLDE в ЦЕРНе. Они взорвали урановую мишень с протонами высокой энергии для получения редкого изотопа радия-225 и объединили его с газом фтора. Каждая молекула существовала только доли секунды. Исследователи могли обнаружить только около пятидесяти в секунду в нужном состоянии для измерения.
Больше в науке
Затем они направили несколько лазерных лучей немного разных частот на молекулы. Когда молекула поглощала или излучала свет, ученые регистрировали крошечные изменения в этом свете. Это производило спектр. Обычно эти паттерны рассказывают ученым о том, как электроны движутся вокруг ядра. Но в этом случае некоторые сдвиги показали, что на электроны влияла внутренняя часть ядра.
«Электрон фактически исследует ядро внутри, поэтому вы больше не можете рассматривать его как взаимодействие на большом расстоянии. Вместо этого он начинает ощущать внутренние свойства самого ядра радия», — сказал Уилкинс.
Связанные истории
Самая тяжелая частица антивещества, когда-либо обнаруженная, может хранить секреты происхождения нашей Вселенной
Ученые впервые наблюдали движение электрона во время химической реакции
— Что такое «волшебные числа» в ядерной физике и почему они так сильны?
«Этот эффект называется эффектом Бора-Вайскопфа*, — добавил Уилкинс. — Насколько нам известно, он никогда не наблюдался в молекуле раньше. Тот факт, что мы могли наблюдать этот эффект экспериментально и описать его теорией, многое говорит нам о том, насколько эти молекулы подходят для будущих точных измерений».
Теперь, когда исследователи нанесли на карту внутреннюю структуру RaF, они могут использовать ее для исследования еще более мелких эффектов, которые могут нарушить симметрию природы. Следующий шаг, по словам Уилкинса, заключается в замедлении и улавливании этих молекул лазерами для выполнения еще более точных измерений.
«Теперь мы знаем, что они могут быть мощными инструментами для поиска новой физики», — сказал Удреску.
