Мерења нуклеарне структуре радијума монофлуорида могу унапредити претрагу тамне материје

Хиперфину структуру радијум монофлуорида измерили су истраживачи у САД и другде са таквом прецизношћу да су ефекти коначне величине нуклеарне магнетизације први пут видљиви. Ово повећава могућност да би истраживачи могли да користе молекул за тражење додатака стандардном моделу физике честица, као што су потписи тамне материје или извори асиметрије материје и антиматерије.

Неке теорије физике изван стандардног модела предвиђају да се такви потписи могу детектовати ситним помацима у фреквенцијама енергија одређених стања у атомима и молекулима. Молекули су посебно прикладни, делимично зато што су за редове величине осетљивији на спољашња поља. „Оно што желимо у нашим експериментима је да продужимо електрично поље“, каже Силвиу-Мариан Удресцу са Универзитета Џонс Хопкинс у Мериленду. „У атому морате да примените огромно електрично поље да бисте то урадили јер је електронски облак веома симетричан. У молекулу је облак већ веома поларизован.’

Предвиђа се да ће молекули бити посебно осетљиви ако садрже атом чије језгро има ретку октуполну деформацију, што га чини крушколиким. „Ово се појављује само у неколико региона нуклеарних карата и сви су радиоактивни“, каже Шејн Вилкинс са Универзитета Мичиген. Ово чини синтезу, хлађење и испитивање молекула пре него што се распадну веома изазовним.

У новом раду, Удреску, Вилкинс и колеге у групи Роналда Фернанда Гарсије Руиза на Технолошком институту у Масачусетсу, заједно са међународним сарадницима, користили су поставку колинеарне резонантне јонизационе спектроскопије у Церну. Они су бомбардовали мету од уранијум карбида са високоенергетским протонима, а затим убризгали тетрафлуорометан гас да би произвели октуполно деформисано језгро радијума-225 монофлуоридних јона. Одмах су их извукли, сортирајући их по маси и узбудили их са три различита ласера ​​да би измерили електронске прелазе у молекулима.

Анализа хиперфине структуре – цепање енергетских нивоа узроковано спрегом између електронских и нуклеарних спинова – открила је нешто посебно занимљиво. „У великој већини наших експеримената, можемо третирати језгро као тачкасти (магнетни) дипол“, каже Вилкинс. ‘Невероватна ствар у вези са овим молекулом је да… имамо слом те слике јер електрон заправо проводи много времена унутар језгра.’ Електрон стога узоркује целу структуру језгра.

Вилкинс каже да овај ефекат, који никада раније није виђен у молекулу, потврђује прорачуне и показује да би помаци енергије електрона у будућности могли помоћи да се направи разлика између конкурентских модела нуклеарне структуре. У Јохнс Хопкинсу, он сада ради на техникама за хлађење молекула, омогућавајући спектроскопију веће прецизности, која би потенцијално могла имати значај за хемију и астрофизику.

„То је изванредно импресиван експериментални рад, али рекао бих да је еволуционаран, а не револуционаран“, каже хемијски физичар Дејвид Незбит са Универзитета Колорадо Боулдер. „Многа од ових мерења су урађена раније, и она заиста потврђују аб инитио прорачуне високог нивоа на вишем нивоу тачности него што је до сада постигнут… Не видим директну везу са тим како ће ово довести у питање стандардни модел.“ Истраживачи одговарају да, иако је молекул претходно истражен, ниједна претходна мерења нису постигла довољну прецизност да би се решила хиперфина структура. „Без наших мерења, која су прва такве врсте у свим молекулима са овако кратким полураспадом, нема будућих прецизних мерења која истражују фундаменталне симетрије универзума“, каже Вилкинс.