Вселенная подчиняется фундаментальному принципу симметрии — законы физики должны действовать одинаково во времени и пространстве. Хотя это правило верно для большинства явлений, таких как гравитация или электромагнетизм, некоторые аспекты природы демонстрируют едва заметные нарушения симметрии, которые учёным до сих пор не удаётся объяснить. Одну из таких загадок скрывают в радиоактивных ядрах. Эти атомные ядра с неравномерным распределением протонов и нейтронов усиливают даже самые слабые нарушения симметрии.
Учёные полагают, что раскрытие этих асимметрий может привести к прорывам, которые выйдут за рамки нашего нынешнего понимания физики, описанной Стандартной Моделью. Команда исследователей из CERN и MIT сделала огромный шаг в этом направлении. Впервые им удалось наблюдать, как распределяется магнетизм внутри ядра молекулы — то, что раньше было невозможно из-за технических ограничений.
Уникальная молекулярная авокадо
Ключ к этому прорыву кроется в специфической радиоактивной молекуле: радий(I)фторид (RaF). Это необычное соединение состоит из атома радия, связанного с атомом фтора. Ядро радия, известное своей «октупольпой деформацией», имеет своеобразную грушевидную или авокадообразную форму — редкое свойство, встречающееся всего в нескольких ядрах-атомных из всех существующих в таблице нуклидов. Эта асимметрия делает RaF идеальным кандидатом для обнаружения тонких нарушений симметрии.
Однако изучение RaF представляет собой значительные трудности. Радий чрезвычайно радиоактивен и быстро распадается примерно за 15 дней. Эта нестабильность означает, что учёные могут производить только микроскопические количества молекулы и изучать её в течение мгновения. Каждая молекула RaF существует всего лишь на доли секунды, прежде чем исчезнуть.
Раскрытие ядерного магнетизма
Чтобы преодолеть эти препятствия, исследователи использовали установку ISOLDE CERN для получения радия-225 и соединения его с газом фтора. В результате получился непрерывный поток едва заметных молекул RaF — всего около пятидесяти в секунду, удовлетворяющих необходимым условиям измерения.
Используя высокоточные лазерные лучи, настроенные на определённые частоты, они облучали эти мимолетные молекулы. Поглощение или излучение света молекулой создавало спектр — уникальный отпечаток, который раскрывал информацию о распределении электронов вокруг ядра. В данном случае, однако, неожиданные смещения в спектральных шаблонах указывали на нечто более глубокое: влияние внутреннего магнетизма ядра радия на окружающие его электроны.
Это явление, известное как эффект Бора-Вайскопфа, ранее наблюдалось в отдельных атомах, где один электрон взаимодействует с одним ядром. Его обнаружение в молекуле было беспрецедентным из-за постоянного движения электронов между двумя ядрами в молекуле, которое может маскировать магнитные сигналы. Но в RaF более простой атом фтора позволил исследователям сосредоточиться на магнитной структуре более тяжёлого ядра радия.
Окно в новую физику?
Это революционное наблюдение — прямое измерение магнетизма внутри ядра молекулы — открывает новые и захватывающие направления для исследований. Команда теперь планирует ловить и замедляться этими молекулами с помощью лазеров, что позволит провести ещё более точные измерения, которые могут раскрыть дальнейшие незначительные нарушения симметрии. Такие открытия могут указывать на неизвестные частицы или силы, выходящие за рамки Стандартной Модели, и революционизировать наше понимание Вселенной.
Как подводит итог У Wilkins, «Теперь мы знаем, что они могут быть мощными инструментами для поиска новой физики».
