Ученые Массачусетского технологического института предложили необычный способ заглянуть вглубь атома – не прибегая к помощи гигантских ускорителей, вроде тех, что используются в ЦЕРНе. Они превратили молекулы в микроскопические аналоги коллайдеров, позволив электронам атома радия кратковременно проникать внутрь его ядра.
Метод описан в журнале Science. Для экспериментов физики использовали молекулу монофторида радия (RaF) – соединение радиоактивного радия с фтором. Измеряя энергию электронов радия, они зафиксировали слабые, но отчетливые сдвиги, объясняемые взаимодействием электронов с протонами и нейтронами внутри ядра.
“Теперь у нас есть доказательство того, что можно “взять пробы” изнутри ядра, – сказал руководитель проекта Рональд Фернандо Гарсия Руис. – Это все равно что не просто измерить поле батарейки снаружи, а заглянуть внутрь и увидеть, как оно устроено”.
Как это работает?
Когда атом радия помещается в молекулу, внутренние электрические поля становятся в тысячи раз сильнее, чем те, что можно создать в лаборатории. Это заставляет электроны двигаться ближе к ядру и повышает вероятность их кратковременного “погружения” в него.
“В некотором смысле молекула действует как миниатюрный ускоритель частиц, – пояснил соавтор исследования Сильвиу-Мариан Удреску. – Она усиливает эффекты, которые мы хотим наблюдать, и делает ядро радия доступным для изучения”.
Ученые надеются, что этот метод позволит впервые построить карту распределения сил и магнитных моментов внутри атомного ядра, а также проверить фундаментальные симметрии природы.
Почему это важно
Радий выбран не случайно – его ядро имеет грушевидную форму, в отличие от почти сферических ядер большинства элементов. Такая асимметрия может усиливать нарушения симметрии материи и антиматерии – ключ к пониманию того, почему во Вселенной почти нет антиматерии.
“Если такие нарушения действительно существуют, ядро радия – одно из лучших мест, где их можно найти”, – отметил Гарсия Руис.
Маленькие молекулы – большие ответы
Пока эксперименты проводились с очень малыми количествами вещества: радий радиоактивен и живет недолго. Тем не менее результаты оказались впечатляющими: энергетические сдвиги, хотя и крошечные, подтверждают реальное взаимодействие электронов с ядром.
Следующий шаг – охлаждение молекул до сверхнизких температур и контроль ориентации их ядер, что позволит получить точную трехмерную “карту” внутренней структуры атома.
Заглядывая в суть материи
Открытие MIT дает физикам новый инструмент для фундаментальных исследований, заменяя километровые ускорители компактными лабораторными установками. Этот подход может помочь ответить на один из самых древних вопросов науки – почему вообще существует материя.
“Наш метод открывает окно в то, что раньше считалось недостижимым, – говорит Гарсия Руис. – Теперь мы можем исследовать атомные ядра прямо внутри молекул”.
Исследование поддержано Министерством энергетики США и проведено при участии ученых ЦЕРНа.
