Wszechświat kieruje się podstawową zasadą symetrii – prawa fizyki muszą obowiązywać jednakowo w czasie i przestrzeni. Chociaż zasada ta dotyczy większości zjawisk, takich jak grawitacja czy elektromagnetyzm, w niektórych aspektach natury występują subtelne pęknięcia symetrii, których naukowcy wciąż nie potrafią wyjaśnić. Jedna z tych tajemnic kryje się w jądrach radioaktywnych. Te jądra atomowe, przy nierównomiernym rozmieszczeniu protonów i neutronów, wzmacniają nawet najsłabsze naruszenia symetrii.
Naukowcy uważają, że odkrycie tych asymetrii może doprowadzić do przełomów, które wykraczają poza nasze obecne rozumienie fizyki opisanej przez Model Standardowy. Zespół badaczy z CERN i MIT zrobił ogromny krok w tym kierunku. Po raz pierwszy udało im się zaobserwować rozkład magnetyzmu wewnątrz jądra cząsteczki, co wcześniej było niemożliwe ze względu na ograniczenia techniczne.
Unikalne molekularne awokado
Kluczem do tego przełomu jest specyficzna radioaktywna cząsteczka: fluorek radu(I) (RaF). Ten niezwykły związek składa się z atomu radu związanego z atomem fluoru. Jądro radu, znane ze swojej „odkształcenia oktupolowego”, ma specyficzny kształt gruszki lub awokado – rzadką właściwość występującą tylko w kilku jądrach atomowych wszystkich nuklidów wymienionych w tabeli. Ta asymetria sprawia, że RaF jest idealnym kandydatem do wykrywania subtelnych naruszeń symetrii.
Jednak badanie RaF stwarza poważne wyzwania. Rad jest niezwykle radioaktywny i szybko rozpada się w ciągu około 15 dni. Ta niestabilność oznacza, że naukowcy mogą wytworzyć jedynie mikroskopijne ilości cząsteczki i zbadać ją w ciągu jednej chwili. Każda cząsteczka RaF istnieje tylko przez ułamek sekundy, zanim zniknie.
Odkrycie magnetyzmu jądrowego
Aby pokonać te przeszkody, badacze wykorzystali należący do CERN obiekt ISOLDE w celu uzyskania radu-225 i połączenia go z gazowym fluorem. Rezultatem był ciągły strumień ledwo zauważalnych cząsteczek RaF – tylko około pięćdziesięciu na sekundę, spełniający niezbędne warunki pomiarowe.
Używając precyzyjnych wiązek laserowych dostrojonych do określonych częstotliwości, napromieniowali te ulotne cząsteczki. Absorpcja lub emisja światła przez cząsteczkę stworzyła widmo – unikalny odcisk palca, który ujawnił informacje o rozmieszczeniu elektronów wokół jądra. Jednak w tym przypadku nieoczekiwane zmiany we wzorach widmowych wskazały na coś głębszego: wpływ wewnętrznego magnetyzmu jądra radu na otaczające je elektrony.
Zjawisko to, znane jako efekt Bohra-Weisskopfa, obserwowano już wcześniej w pojedynczych atomach, gdzie jeden elektron oddziałuje z jednym jądrem. Jego wykrycie w cząsteczce było bezprecedensowe ze względu na ciągły ruch elektronów pomiędzy dwoma jądrami w cząsteczce, co może maskować sygnały magnetyczne. Jednak w RaF prostszy atom fluoru pozwolił naukowcom skupić się na strukturze magnetycznej cięższego jądra radu.
Okno na nową fizykę?
Ta rewolucyjna obserwacja – bezpośredni pomiar magnetyzmu w jądrze cząsteczki – otwiera nowe i ekscytujące kierunki badań. Zespół planuje teraz uwięzić i spowolnić te cząsteczki za pomocą laserów, co umożliwi jeszcze bardziej precyzyjne pomiary, które mogą ujawnić dalsze subtelne naruszenia symetrii. Takie odkrycia mogą wskazać nieznane cząstki lub siły wykraczające poza Model Standardowy i zrewolucjonizować nasze rozumienie Wszechświata.
Jak podsumowuje Wilkins: „Teraz wiemy, że mogą być potężnymi narzędziami do poszukiwania nowej fizyki”.
