Физики разработали революционный метод, позволяющий исследовать внутреннюю структуру атомного ядра с помощью молекул, в которых электроны используются в качестве «мини-коллайдера» и «посланников». Новая методика превращает молекулу в миниатюрный ускоритель частиц, где электроны ускоряются и на краткий момент проникают внутрь атомного ядра, позволяя изучать его поведение. Применение этого подхода к атому радия может дать ключевые подсказки для решения одной из величайших загадок науки — наблюдаемого во Вселенной дисбаланса между материей и антиматерией.
Согласно стандартной космологической модели, в момент Большого взрыва во Вселенной существовало равное количество материи и антиматерии. Однако современный мир почти полностью состоит из материи, что противоречит теоретическим предсказаниям. Ученые полагают, что за этой асимметрией стоит неизвестный физический процесс. Чтобы раскрыть эту тайну, исследователи изучают процессы, происходящие внутри атомов. Предполагается, что нарушение фундаментальных симметрий может быть обнаружено в некоторых ядрах, в частности, в ядре радия. В отличие от большинства атомов, ядро радия имеет не сферическую, а уникальную грушевидную форму. Эта геометрическая особенность может усиливать эффекты, связанные с нарушением симметрий.
«Прогнозируется, что ядро радия усилит это нарушение симметрии, поскольку оно асимметрично как по заряду, так и по массе, что встречается довольно редко», — поясняет Рональд Фернандо Гарсия Руис, доцент физики в Массачусетском технологическом институте. Однако изучение ядра радия сопряжено с огромными трудностями: оно радиоактивно, имеет крайне короткое время жизни, а производимые в ничтожных количествах молекулы монофторида радия являются одной из немногих возможностей для экспериментов. Традиционные методы исследования требуют использования гигантских ускорителей-коллайдеров, которые разгоняют пучки электронов до скоростей, позволяющих проникать в ядра.
В исследовании, опубликованном в журнале Science, группа Гарсии Руиса предлагает более доступную альтернативу — компактную молекулярную методику для прямого зондирования внутреннего строения ядра радия. «Наши результаты открывают путь для последующих исследований, направленных на измерение нарушений фундаментальных симметрий на ядерном уровне», — подчеркивает ученый. В ходе эксперимента физики соединили атомы радия и фтора в молекулы монофторида радия. В такой молекуле электроны радия испытывают сильное сжатие, что значительно повышает вероятность их взаимодействия с ядром и кратковременного проникновения внутрь него. Поведение электронов атома радия усиливается благодаря его нахождению в составе молекулы.
«Когда мы помещаем этот радиоактивный атом внутрь молекулы, внутреннее электрическое поле, воздействующее на его электроны, на порядок превышает те, которые мы можем создать и применить в лаборатории», — объясняет Сильвиу-Мариан Удреску, соавтор исследования из MIT. — «В некотором смысле молекула ведет себя как миниатюрный коллайдер частиц и дает нам уникальную возможность изучить ядро радия».
Чтобы проверить гипотезу, исследователи изолировали и охладили молекулы, а затем пропустили их через систему вакуумных камер. С помощью лазерных лучей, взаимодействующих с молекулами, им удалось с высокой точностью измерить энергию внутренних электронов. Результаты показали, что энергия электронов, проникающих в ядро, незначительно, но отличается от ожидаемой. Эта малая вариация стала доказательством взаимодействия молекулярных электронов с протонами и нейтронами внутри ядра радия. Выходя из ядра, электроны сохраняют этот небольшой сдвиг энергии, действуя как «посланники», доставляющие информацию из самого сердца атома.
«Многие эксперименты измеряют взаимодействия между ядрами и электронами, находящимися вне ядра, природа которых хорошо известна», — уточняет ведущий автор работы Шейн Уилкинс. — «Когда мы точно измерили энергию этих электронов, результаты не совсем совпали с нашими ожиданиями, основанными на взаимодействиях только с внешней частью ядра. Это указало нам на то, что разница вызвана внутренними электронными взаимодействиями».
Следующим шагом команды станет использование новой методики для картирования распределения сил внутри атомного ядра радия. Пока результаты основаны на измерении молекул с хаотично ориентированными ядрами при высокой температуре. В дальнейшем ученые планируют исследовать, позволит ли охлаждение молекул и контроль ориентации их ядер с высокой точностью отобразить внутреннее строение ядер и обнаружить возможные нарушения фундаментальных симметрий.