Исследование редкой молекулы раскрывает тайны магнетизма в радиоактивных ядрах
Физики впервые изучили редкую молекулу, чтобы выяснить, как магнетизм распределен внутри радиоактивного ядра.
Правила природы, как правило, остаются неизменными. Если вы бросите мяч в Сиэтле или в Токио, он упадет одинаково. Физики называют это «симметрией», и используют её в качестве ориентира для понимания поведения Вселенной. Это то, что поддерживает устойчивость мира — если законы физики работали бы по-разному по вторникам, универсу пришел бы конец.
Однако некоторые аспекты природы, похоже, не следуют этому идеальному равновесию. Например, справедливо было бы предположить, что Вселенная должна одинаково обращаться как с материей, так и с антиматерией. Тем не менее, наша Вселенная состоит почти полностью из материи, и физики всё ещё не знают, почему так.
Одно перспективное место для поиска ответов — внутри радиоактивных ядер. Неровное распределение протонов и нейтронов может усиливать даже малейшие нарушения симметрии. Если ученым удастся выявить эти небольшие асимметрии, это могло бы открыть новые горизонты в физике, превосходящей Стандартную модель, по словам физика Сильвиу-Мариана Удреску из MIT, соавтора нового исследования этой феномена.
В исследовании, опубликованном 23 октября в журнале Science, ученые из CERN и MIT изучали недолговечную радиоактивную молекулу под названием радий монофторид (RaF), чтобы измерить ее спектр энергий. Однако, к их удивлению, им удалось сделать первое наблюдение за тем, как магнетизм распределен внутри одного из ее ядер. Этот феномен, известный как эффект Бора-Вайскопфа, никогда ранее не наблюдался в молекуле.
Гладкая форма молекулы
Молекула RaF состоит из двух атомов: радия и фтора, каждый из которых имеет свое ядро. Ядро радия обладает свойством под названием «октупольная деформация».
«Представьте себе, что само ядро имеет форму груши или авокадо», — говорит Шейн Уилки, физик из MIT и первый автор исследования. Благодаря ассиметричной форме, RaF является идеальным кандидатом для выявления асимметрий, которые искала команда.
«Это очень редкое свойство», — добавил Удреску. «Оно встречается только в нескольких ядрах атомов по всей ядерной таблице. Все эти ядра, имеющие такую форму, являются радиоактивными».
Однако радиоактивность делает исследование таких ядер сложным, поскольку эти изотопы нестабильны и недолговечны. Они распадаются примерно через 15 дней и могут исчезнуть до того, как исследователи смогут провести более глубокие измерения. «Мы можем производить их только в очень небольших количествах», — пояснил Уилки.
Эффект Бора-Вайскопфа наблюдался в отдельных атомах, где электроны взаимодействуют с одним ядром. Однако его обнаружение внутри молекулы намного сложнее. Это связано с тем, что электроны постоянно перемещаются между двумя ядрами, что может размывать магнитные сигналы и затруднять их обнаружение. В молекуле RaF атом фтора является более простым партнером по связи, что позволяет ученым сосредоточиться на магнитной структуре более тяжелого ядра радия.
Команда впервые создала радий монофторид в CERN на объекте ISOLDE. Они обстреляли мишень из урана высокоэнергетичными протонами, чтобы произвести редкий изотоп радий-225, и объединили его с фторным газом. Каждая молекула существовала лишь доли секунды, и исследователи могли обнаружить всего около пятидесяти молекул в секунду в нужном состоянии для измерений.
Затем они направили несколько лазерных лучей слегка различных частот на молекулы. Когда молекулы поглощали или излучали свет, ученые фиксировали незначительные изменения в этом свете, создавая спектр. Обычно эти паттерны говорят ученым о том, как электроны движутся вокруг ядра. Однако в данном случае некоторые сдвиги указывали на то, что электроны подвергались влиянию внутренней структуры ядра.
«Электрон на самом деле проводится внутрь ядра, так что вы больше не можете рассматривать это как взаимодействие на дальнем расстоянии. Вместо этого он начинает ощущать внутренние свойства ядра радия», — добавил Уилки.
Теперь, когда исследователи исследовали внутреннюю структуру RaF, они могут использовать ее для поиска еще более мелких эффектов, которые могут нарушить симметрии природы. Следующим шагом, по словам Уилки, станет замедление и захват этих молекул с помощью лазеров для проведения еще более точных измерений.
«Теперь мы знаем, что они могут быть мощными инструментами для поиска новой физики», — сказал Удреску.
