Фізики здійснили проривне дослідження, вперше вивчаючи рідкісну молекулу монофториду радію (RaF), аби розкрити таємниці розподілу магнетизму всередині радіоактивного ядра. Це відкриття є надзвичайно значущим, оскільки заглиблюється у фундаментальні принципи природи, зокрема – у прагнення виявити потенційні відхилення від усталених законів.
Загалом, закони природи демонструють дивовижну сталість. Киньте м’яч у будь-якій точці планети – він падатиме однаково. Це явище, відоме як “симетрія”, є основоположним для розуміння того, як функціонує Всесвіт, забезпечуючи його послідовність. Без цієї універсальної симетрії світ занурився б у хаос. Проте деякі аспекти світобудови, схоже, не повністю відповідають цьому ідеальному балансу. Приміром, здавалося б логічним припустити, що матерія та антиматерія повинні бути рівноцінними, але наш Всесвіт майже повністю складається з матерії, і вчені досі не можуть пояснити цю асиметрію.
Одним із перспективних напрямків для пошуку відповідей є вивчення радіоактивних ядер. Нерівномірне розташування протонів та нейтронів у таких ядрах може посилити найдрібніші порушення симетрії. Виявлення цих крихітних асиметрій здатне відкрити шлях до нової фізики, що лежить за межами Стандартної моделі – сучасної теоретичної основи, яка описує найменші частинки та їхні взаємодії. Саме на це вказує Сільвіу-Маріан Удреску, фізик з Массачусетського технологічного інституту (MIT) та співавтор нещодавнього дослідження.
У дослідженні, опублікованому 23 жовтня в авторитетному науковому журналі Science, вчені з Європейської організації з ядерних досліджень (CERN) та MIT аналізували короткоживучу радіоактивну молекулу монофториду радію (RaF) з метою виміряти її енергетичний спектр. Однак, несподівано для себе, вони вперше спостерігали, як розподіляється магнетизм всередині одного з її ядер. Це явище, відоме як ефект Бора-Вайскопфа, досі ніколи не фіксувалося у молекулі.
Авокадо атома
Молекула RaF складається з двох атомів – радію та фтору, кожен з яких має власне ядро. Ядро радію демонструє унікальну властивість, що називається “октупольною деформацією”.
«Ви можете уявити, що саме ядро має форму груші або авокадо», – пояснив Шейн Вілкінс, фізик з MIT і провідний автор дослідження, в інтерв’ю Live Science. Саме завдяки своїй асиметричній будові, монофторид радію є ідеальним об’єктом для виявлення тих асиметрій, які шукала дослідницька група.
«Це дуже рідкісна характеристика», – додав Удреску. «Вона зустрічається лише в кількох атомних ядрах по всій ядерній таблиці. І всі ці ядра, що мають таку грушоподібну форму, є радіоактивними».
Ця радіоактивність значно ускладнює вивчення подібних ядер, оскільки такі ізотопи нестабільні та короткоживучі. Вони розпадаються приблизно протягом 15 днів, часто зникаючи раніше, ніж дослідники встигають провести достатню кількість вимірювань. «Ми можемо виробити їх лише в дуже невеликих кількостях», – зауважив Вілкінс.
Ефект Бора-Вайскопфа вже спостерігався в окремих атомах, де електрони взаємодіють з одним ядром. Однак виявити його всередині молекули є значно складнішою задачею. Це пояснюється тим, що електрони постійно переміщуються між двома ядрами. Такий рух може розмивати магнітні сигнали, ускладнюючи їхнє виявлення. У молекулі монофториду радію атом фтору виступає простішим партнером для зв’язку, що дозволяє вченим зосередитися на вивченні магнітної структури важчого ядра радію.
Команда вперше створила монофторид радію на установці ISOLDE (Ізотопний Сепаратор Онлайн) у CERN – Європейській організації з ядерних досліджень, що є одним із найбільших у світі наукових центрів. Вони бомбардували уранову мішень високоенергетичними протонами, щоб отримати рідкісний ізотоп радій-225 – радіоактивний хімічний елемент з атомним номером 88, а потім поєднали його з газоподібним фтором. Кожна молекула існувала лише частки секунди; дослідники могли виявити приблизно п’ятдесят таких молекул на секунду у стані, придатному для вимірювання.
Після цього вчені направили на молекули численні лазерні промені дещо різних частот. Коли молекула поглинала або випромінювала світло, дослідники фіксували крихітні зміни у цьому світлі, створюючи спектр. Зазвичай такі закономірності розкривають інформацію про рух електронів навколо ядра. Але в цьому випадку деякі зсуви показали, що електрони піддавалися впливу внутрішньої частини ядра.
«Електрон фактично проникає всередину ядра, тому ви більше не можете розглядати це як довгострокову взаємодію. Натомість він починає відчувати внутрішні властивості самого ядра радію», – підкреслив Вілкінс.
«Цей ефект називається ефектом Бора-Вайскопфа», – додав Вілкінс. «Наскільки нам відомо, його ніколи раніше не спостерігали у молекулах. Той факт, що ми змогли експериментально зафіксувати цей ефект і описати його теоретично, багато говорить про придатність цих молекул для майбутніх високоточних вимірювань».
Тепер, коли дослідники склали карту внутрішньої структури монофториду радію, вони можуть використовувати її для вивчення ще менших ефектів, що здатні порушити природні симетрії. Наступним кроком, за словами Вілкінса, буде уповільнення та утримання цих молекул за допомогою лазерів для проведення ще точніших вимірювань.
«Тепер ми знаємо, що вони можуть бути потужними інструментами для пошуку нової фізики», – підсумував Удреску.
