Представьте себе пылинку в грозовом облаке, и вы получите представление о незначительности нейтрона по сравнению с величиной молекулы, в которой он обитает.
Но точно так же, как пылинка может повлиять на траекторию облака, нейтрон может влиять на энергию своей молекулы, несмотря на то, что его размер меньше одной миллионной. И теперь физики из Массачусетского технологического института и других организаций успешно измерили крошечный эффект нейтрона в радиоактивной молекуле.
Команда разработала новую технику для производства и изучения короткоживущих радиоактивных молекул с нейтронными числами, которые они могут точно контролировать. Они вручную выбрали несколько изотопов одной и той же молекулы, у каждого из которых на один нейтрон больше, чем у следующего. Когда они измерили энергию каждой молекулы, они смогли обнаружить небольшие, почти незаметные изменения размера ядра из-за действия одного нейтрона.
Тот факт, что они смогли увидеть такие небольшие ядерные эффекты, предполагает, что у ученых теперь есть возможность искать в таких радиоактивных молекулах еще более тонкие процессы, вызванные, например, темной материей или эффектами новых источников нарушений симметрии, связанных с некоторыми из текущих загадок Вселенной.
Большинство атомов в природе содержат симметричное сферическое ядро, в котором равномерно распределены нейтроны и протоны. Но в некоторых радиоактивных элементах, таких как радий, атомные ядра имеют странную грушевидную форму с неравномерным распределением нейтронов и протонов внутри. Физики предполагают, что это искажение формы может усилить нарушение симметрии, которое дало начало материи во Вселенной.
Вместо того, чтобы пытаться определить радиоактивные ядра самостоятельно, команда поместила их в молекулу, которая в дальнейшем усиливает чувствительность к нарушениям симметрии. Радиоактивные молекулы состоят по крайней мере из одного радиоактивного атома, связанного с одним или несколькими другими атомами. Каждый атом окружен облаком электронов, которые вместе создают чрезвычайно сильное электрическое поле в молекуле, которое, по мнению физиков, может усиливать тонкие ядерные эффекты, такие как эффекты нарушения симметрии.
Однако, за исключением некоторых астрофизических процессов, таких как слияние нейтронных звезд и звездные взрывы, интересующие радиоактивные молекулы не существуют в природе и поэтому должны быть созданы искусственно. Авторы исследования совершенствовали методы создания радиоактивных молекул в лаборатории и точно изучали их свойства. В прошлом году они сообщили о методе получения молекул монофторида радия или RaF, радиоактивной молекулы, содержащей один нестабильный атом радия и атом фторида.
В своем новом исследовании команда использовала аналогичные методы для получения изотопов RaF или версий радиоактивной молекулы с различным количеством нейтронов. Как и в предыдущем эксперименте, исследователи использовали изотопный сепаратор массы он-лайн, или ISOLDE, в ЦЕРНе, в Женеве, Швейцария, для производства небольших количеств изотопов RaF.
В объекте находится пучок протонов низкой энергии, который команда направила на цель — диск из карбида урана размером с монету, на который они также впрыснули фтористый углерод. В результате последовавших химических реакций образовался целый ряд молекул, в том числе RaF, которые команда разделила с помощью точной системы лазеров, электромагнитных полей и ионных ловушек.
Исследователи измерили массу каждой молекулы, чтобы оценить количество нейтронов в ядре радия молекулы. Затем они отсортировали молекулы по изотопам в соответствии с их числом нейтронов. В конце концов, они отсортировали сгустки пяти разных изотопов RaF, каждый из которых несет больше нейтронов, чем следующий. С помощью отдельной системы лазеров команда измерила квантовые уровни каждой молекулы.
Для сравнения, увидеть определенные эффекты нарушения симметрии было бы все равно, что увидеть, как ширина одного человеческого волоса изменит радиус Солнца.
Результаты демонстрируют, что радиоактивные молекулы, такие как RaF, сверхчувствительны к ядерным эффектам и что их чувствительность, вероятно, может обнаруживать более тонкие, невиданные ранее эффекты, такие как крошечные нарушающие симметрию ядерные свойства, которые могут помочь объяснить, к примеру, соотношение материя-антивещество во Вселенной.
