Физичари са МИТ-а увели су технику за проучавање унутрашњости атомског језгра ослањајући се на сопствене електроне атома као „гласнике“ унутар молекула.
У истраживању објављеном 23. октобра год Наукатим је прецизно измерио енергију електрона који круже око атома радијума који је био хемијски везан за атом флуорида, формирајући радијум монофлуорид. Користећи молекуларно окружење као микроскопску замену за сударач честица, они су ограничили електроне атома радијума и повећали вероватноћу да ће неки накратко проћи кроз језгро.
Традиционални експерименти који истражују нуклеарне унутрашњости зависе од километарских акцелератора који убрзавају снопове електрона да разбију и фрагментирају језгра. Нови приступ усредсређен на молекуле пружа компактан, стони начин за директно испитивање унутрашњости језгра.
Столни метод открива нуклеарне „поруке“
Радећи са радијум монофлуоридом, истраживачи су пратили енергије електрона атома радијума док су се кретали унутар молекула. Они су приметили мали помак у енергији и закључили да су неки електрони сигурно накратко ушли у језгро и ступили у интеракцију са оним што се налази унутра. Како су ти електрони одлазили, они су задржали промену енергије, ефективно носећи нуклеарну „поруку“ која открива карактеристике унутрашњости језгра.
Метода отвара пут ка мерењу нуклеарне „магнетне дистрибуције“. Унутар језгра, сваки протон и неутрон се понашају као сићушни магнет, а њихова оријентација зависи од тога како су те честице распоређене. Тим планира да користи технику за мапирање ове особине у радијуму по први пут, корак који би могао да информише једну од централних загонетки космологије: зашто универзум садржи много више материје него антиматерије.
„Наши резултати постављају основу за наредне студије које имају за циљ мерење кршења фундаменталних симетрија на нуклеарном нивоу“, каже коаутор студије Роналд Фернандо Гарсија Руиз, који је Тхомас А. Францк ванредни професор физике на МИТ-у. „Ово би могло дати одговоре на нека од најхитнијих питања у модерној физици.“
Међу коауторима МИТ-а су Шејн Вилкинс, Силвију-Маријан Удреску и Алекс Бринсон, заједно са сарадницима из неколико институција, укључујући експеримент с колинеарном резонантном јонизационом спектроскопијом (ЦРИС) у ЦЕРН-у у Швајцарској, где су се експерименти одвијали.
Неравнотежа материје и антиматерије и улога радијума
Према садашњем схватању, рани универзум је требало да садржи скоро једнаке количине материје и антиматерије. Ипак, скоро све што данас можемо да откријемо је материја изграђена од протона и неутрона унутар атомских језгара.
Ово запажање је у супротности са очекивањима из Стандардног модела, сугеришући да су потребни додатни извори фундаменталног кршења симетрије да би се објаснио недостатак антиматерије. Такви ефекти се могу појавити унутар језгара одређених атома, укључујући и радијум.
За разлику од већине језгара, која су блиска сферној, језгро радијума има асиметричан облик крушке. Теоретичари предвиђају да ова геометрија може да појача сигнале кршења симетрије довољно да их учини потенцијално видљивим.
„Предвиђа се да ће језгро радијума бити појачавач овог нарушавања симетрије, јер је његово језгро асиметрично по набоју и маси, што је прилично необично“, каже Гарсија Руиз, чија се група фокусирала на развој метода за испитивање језгара радијума у потрази за знаковима фундаменталног кршења симетрије.
Изградња ултра-осетљивих молекуларних експеримената Завиривање унутар језгра радијума да би се тестирале фундаменталне симетрије је изузетно изазовно.
„Радијум је природно радиоактиван, са кратким животним веком и тренутно можемо да производимо молекуле монофлуорида радијума само у малим количинама“, каже водећи аутор студије Шејн Вилкинс, бивши постдоктор на МИТ-у. „Због тога су нам потребне невероватно осетљиве технике да бисмо могли да их измеримо.“
Тим је препознао да уграђивање атома радијума у молекул може ограничити и повећати понашање његових електрона.
„Када ставите овај радиоактивни атом унутар молекула, унутрашње електрично поље које његови електрони доживљавају је за редове величине веће у поређењу са пољима која можемо произвести и применити у лабораторији“, објашњава др Силвиу-Мариан Удресцу ’24, коаутор студије. „На неки начин, молекул делује као џиновски сударач честица и даје нам бољу шансу да испитамо језгро радијума.“
Енергетски помак открива сусрете електрона и језгара
Истраживачи су створили радијум монофлуорид упарујући атоме радијума са атомима флуорида. У овом молекулу, електрони радијума су ефикасно стиснути, што повећава шансу да ступе у интеракцију са и накратко уђу у језгро радијума.
Затим су ухватили и охладили молекуле, водили их кроз вакуумске коморе и осветлили их ласерима прилагођеним за интеракцију са молекулима. Ова поставка је омогућила прецизна мерења енергије електрона унутар сваког молекула.
Измерене енергије су показале суптилну разлику у односу на очекивања заснована на електронима који не улазе у језгро. Иако је промена енергије била само око милионити део енергије ласерског фотона коришћеног за побуђивање молекула, пружила је јасан доказ да су електрони у интеракцији са протонима и неутронима унутар језгра радијума.
„Постоји много експеримената који мере интеракције између језгара и електрона ван језгра, и знамо како те интеракције изгледају“, објашњава Вилкинс. „Када смо отишли да меримо ове енергије електрона веома прецизно, то није сасвим одговарало ономе што смо очекивали под претпоставком да су у интеракцији само изван језгра. То нам је говорило да разлика мора бити последица интеракција електрона унутар језгра.“
„Сада имамо доказ да можемо узорковати унутар језгра“, каже Гарсија Руиз. „То је као да можете да мерите електрично поље батерије. Људи могу да измере њено поље споља, али мерење унутар батерије је далеко изазовније. И то је оно што сада можемо да урадимо.“
Следећи кораци: Мапирање сила и тестирање симетрија
У будућности, тим планира да примени нову технику за мапирање дистрибуције сила унутар језгра. Њихови експерименти су до сада укључивали језгра радијума која се налазе у насумичној оријентацији унутар сваког молекула на високој температури. Гарсија Руиз и његови сарадници би желели да буду у могућности да охладе ове молекуле и контролишу оријентацију њихових језгара у облику крушке тако да могу прецизно мапирати њихов садржај и ловити кршење основних симетрија.
„Предвиђа се да ће молекули који садрже радијум бити изузетно осетљиви системи у којима се трага за кршењем основних симетрија природе“, каже Гарсија Руиз. „Сада имамо начин да извршимо ту потрагу.
Ово истраживање је делимично подржало Министарство енергетике САД.
