Физики используют одну молекулу в качестве коллайдера крошечных частиц

Чтобы изучить внутреннюю работу атомного ядра, ученые традиционно полагались на сложные коллайдеры частиц, которые разрывают ядра вместе с электронами.

Для этих коллайдеров часто требуются большие установки, протяженностью несколько километров, которые могут ускорять электроны до головокружительной скорости в поисках секретов внутри ядер.

В новом исследовании исследователи предлагают более простую альтернативу гораздо меньшего масштаба. Они собирали данные изнутри ядер без всякой шумихи, вместо этого привлекая собственные электроны атома в качестве «посланников» внутри двухатомной молекулы.

По теме: Возможен огромный 56-мильный крушитель частиц, говорится в отчете ЦЕРН

Они сделали это, соединив атом радия с атомом фторида, образовав молекулу монофторида радия. Используя свойства внутримолекулярной среды, они создали своего рода микроскопический коллайдер, в котором электроны атома радия на короткое время проникали в его ядро.

Это позволило исследователям точно отслеживать энергии электронов внутри молекулы, что выявило тонкий энергетический сдвиг. Электроны, очевидно, совершали кратковременные вторжения в ядро радия и взаимодействовали с его содержимым.

Это может представлять собой новый способ измерения магнитного распределения ядра или того, как расположение протонов и нейтронов влияет на его магнитные свойства.

Новое исследование является ранним шагом, отмечают исследователи, но они планируют использовать этот метод, чтобы пролить новый свет на ядро ​​радия. Такое понимание может помочь разгадать ключевые загадки физики, например, почему во Вселенной, по-видимому, содержится гораздо больше материи, чем антиматерии.

«Наши результаты закладывают основу для последующих исследований, направленных на измерение нарушений фундаментальной симметрии на ядерном уровне», — говорит соавтор исследования физика Массачусетского технологического института Рональд Фернандо Гарсиа Руис. «Это может дать ответы на некоторые из наиболее актуальных вопросов современной физики».

Современные модели предполагают, что молодая Вселенная должна была содержать примерно одинаковое количество материи и антиматерии, однако последнее встречается подозрительно редко. Вместо этого сегодня во Вселенной мы находим в основном материю, что является очевидным нарушением ожидаемой симметрии между ними.

Ученые подозревают, что ответы таятся в некоторых атомных ядрах, чьи внутренности могут содержать подсказки о нехватке их аналогов из антивещества.

Радий является главным кандидатом, объясняют исследователи, из-за грушевидной формы его ядра. Большинство атомных ядер имеют сферическую форму; асимметричная архитектура радия может повысить наблюдаемость фундаментальных нарушений симметрии.

«Ядро радия, по прогнозам, будет усилителем этого нарушения симметрии, потому что его ядро асимметрично по заряду и массе, что довольно необычно», — говорит Гарсиа Руис.

Однако это все еще крепкий орешек.

«Радий по своей природе радиоактивен, с коротким временем жизни, и в настоящее время мы можем производить только молекулы монофторида радия. в крошечных количествах», — говорит ведущий автор и физик Шейн Уилкинс, бывший постдок Массачусетского технологического института, ныне работающий в Университете штата Мичиган. «Поэтому нам нужны невероятно чувствительные методы, чтобы иметь возможность их измерить».

Главное — внедрить 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, будучи аспирантом Массачусетского технологического института.

«Когда вы Поместите этот радиоактивный атом внутрь молекулы, внутреннее электрическое поле, которое испытывают его электроны, на несколько порядков больше по сравнению с полями, которые мы можем создать и применить в лаборатории», — говорит Удреску. «В некотором смысле, молекула действует как гигантский коллайдер частиц и дает нам больше шансов исследовать ядро ​​радия».

В монофториде радия электроны атома радия были ограничены таким образом, что увеличивали их шансы попасть в ядро. Исследователи удерживали и охлаждали молекулы, а затем использовали лазеры для измерения энергии электронов внутри них.

Небольшие, но значительные изменения в данных намекали на эксперименты внутри ядра.

«Существует множество экспериментов по измерению взаимодействий между ядрами и электронами вне ядра, и мы знаем, как эти взаимодействия выглядят», — говорит Уилкинс.

«Когда мы приступили к очень точному измерению этих энергий электронов, это не совсем соответствовало тому, что мы ожидали, предполагая, что они взаимодействуют. только за пределами ядра», — добавляет он. «Это говорит нам о том, что разница, должно быть, связана с взаимодействием электронов внутри ядра».

Это открытие может произвести революцию в наших возможностях изучения атомных ядер, сообщают исследователи. Хотя мы знаем, насколько упрямо неуловимыми могут быть субатомные частицы; они нелегко выдают свои секреты.

«Теперь у нас есть доказательство того, что мы можем брать образцы внутри ядра. Это похоже на возможность измерить электрическое поле батареи. Люди могут измерить ее поле снаружи, но измерить внутри батареи гораздо сложнее. И это то, что мы можем сделать сейчас», — говорит Гарсиа Руис.

«Содержащие радий молекулы, по прогнозам, будут исключительно чувствительными системами, в которых можно искать нарушения фундаментальных принципов симметрии природы», — добавляет он. «Теперь у нас есть способ осуществить этот поиск».

Исследование было опубликовано в журнале Science.