Всесвіт підкоряється фундаментальному принципу симетрії — закони фізики мають однаково застосовуватися в часі та просторі. Хоча це правило справедливе для більшості явищ, таких як гравітація чи електромагнетизм, деякі аспекти природи демонструють тонкі порушення симетрії, які вчені досі не можуть пояснити. Одна з таких таємниць прихована в радіоактивних ядрах. Ці атомні ядра з їх нерівномірним розподілом протонів і нейтронів підсилюють навіть найслабші порушення симетрії.
Вчені вважають, що виявлення цієї асиметрії може призвести до проривів, які виходять за рамки нашого поточного розуміння фізики, описаної Стандартною моделлю. Команда дослідників з CERN і MIT зробила величезний крок у цьому напрямку. Вони вперше змогли спостерігати, як магнетизм розподіляється всередині ядра молекули – те, що раніше було неможливо через технічні обмеження.
Унікальний молекулярний авокадо
Ключ до цього прориву полягає в конкретній радіоактивній молекулі: фториді радію (I) (RaF). Ця незвичайна сполука складається з атома радію, з’єднаного з атомом фтору. Ядро радію, відоме своєю «октупольною деформацією», має особливу форму груші або авокадо — рідкісна властивість, виявлена лише в кількох атомних ядрах з усіх нуклідів у таблиці. Ця асиметрія робить RaF ідеальним кандидатом для виявлення тонких порушень симетрії.
Однак вивчення RaF представляє значні проблеми. Радій надзвичайно радіоактивний і швидко розпадається приблизно за 15 днів. Ця нестабільність означає, що вчені можуть виробляти лише мікроскопічні кількості молекули та вивчати її протягом однієї миті. Кожна молекула RaF існує лише частку секунди, перш ніж зникнути.
Виявлено ядерний магнетизм
Щоб подолати ці перешкоди, дослідники використовували установку ISOLDE CERN для отримання радію-225 і поєднання його з газоподібним фтором. Результатом став безперервний потік ледь помітних молекул RaF — лише близько п’ятдесяти на секунду, що задовольняло необхідні умови вимірювання.
Використовуючи високоточні лазерні промені, налаштовані на певні частоти, вони опромінювали ці швидкоплинні молекули. Поглинання або випромінювання світла молекулою створювало спектр — унікальний відбиток, який показував інформацію про розподіл електронів навколо ядра. Однак у цьому випадку несподівані зміни в спектральних картинах вказували на щось глибше: вплив внутрішнього магнетизму ядра радію на електрони, що його оточують.
Це явище, відоме як ефект Бора-Вайскопфа, раніше спостерігалося в окремих атомах, де один електрон взаємодіє з одним ядром. Його виявлення в молекулі було безпрецедентним через постійний рух електронів між двома ядрами в молекулі, що може маскувати магнітні сигнали. Але в RaF простіший атом фтору дозволив дослідникам зосередитися на магнітній структурі важчого ядра радію.
Вікно в нову фізику?
Це революційне спостереження — пряме вимірювання магнетизму в ядрі молекули — відкриває нові та захоплюючі шляхи дослідження. Тепер команда планує вловити та сповільнити ці молекули за допомогою лазерів, що дозволить проводити ще точніші вимірювання, які можуть виявити подальші тонкі порушення симетрії. Такі відкриття можуть вказати на невідомі частинки або сили, що виходять за межі Стандартної моделі, і змінити наше розуміння Всесвіту.
Як підсумовує Вілкінс, «тепер ми знаємо, що вони можуть бути потужними інструментами для пошуку нової фізики».
