Физики из Массачусетского технологического института (MIT) представили революционный метод исследования внутренней структуры атомного ядра. Вместо гигантских ускорителей частиц они предложили использовать в качестве инструмента сами электроны атома, которые становятся "внутренними посыльными", доставляющими информацию из самого сердца материи. Этот компактный, настольный подход открывает новые горизонты в ядерной физике.
Эксперимент был построен на изучении молекул монофторида радия, где атом радиоактивного радия химически связан с атомом фтора. Ученые обнаружили, что молекулярная среда действует как микроскопический аналог мощного коллайдера: она "сжимает" электроны радия, значительно повышая вероятность их кратковременного проникновения внутрь атомного ядра.
Ключевым открытием стал небольшой, но четко измеренный сдвиг в энергии этих электронов. Исследователи пришли к выводу, что этот сдвиг происходит именно в те моменты, когда электроны ненадолго попадают в ядро и взаимодействуют с его "начинкой" — протонами и нейтронами. Выходя из ядра, электроны сохраняют это изменение энергии, неся с собой уникальную информацию о его внутреннем устройстве.
Этот метод прокладывает путь к измерению так называемого магнитного распределения внутри ядра — свойства, которое зависит от расположения протонов и нейтронов. Особенно важно, что техника может помочь в решении одной из главных загадок космологии: почему наблюдаемая Вселенная состоит почти исключительно из материи, тогда как в момент Большого взрыва ее должно было быть поровну с антиматерией. Уникальная грушевидная форма ядра радия, как предсказывают теоретики, может многократно усиливать сигналы фундаментальных нарушений симметрии, которые могли привести к такому дисбалансу. Стоит отметить, что необычные формы ядер, такие как вытянутые или сплюснутые, характерны для многих элементов в так называемых "островах деформации", включая некоторые изотопы гадолиния или урана. Подобная деформация существенно влияет на их свойства, изменяя вращательные спектры, вероятности распада и общую стабильность, что открывает дополнительные возможности для исследований.
Провести эксперимент было чрезвычайно сложно, поскольку радий радиоактивен и недолговечен, а молекулы монофторида радия можно производить лишь в микроскопических количествах. Работа с такими элементами сопряжена с рядом практических сложностей: необходимостью использования толстых защитных экранов, риском накопления дочерних продуктов распада, выделением тепла, вызывающим температурную нестабильность, и трудностями манипулирования микроколичествами вещества. Гениальность решения заключалась в том, чтобы поместить атом радия внутрь молекулы. Как объясняют ученые, внутреннее электрическое поле молекулы на порядки мощнее любого поля, которое можно создать в лаборатории, что и позволяет ей действовать как "гигантский коллайдер" в миниатюре.
В ходе опытов исследователи создавали молекулы, охлаждали их, направляли через вакуумные камеры и облучали специально настроенными лазерами для сверхточных измерений энергии электронов. "Когда мы очень точно измерили эти энергии, они не совсем сошлись с ожиданиями, основанными на взаимодействиях только снаружи ядра, — поясняет ведущий автор Шейн Уилкинс. — Это говорило о том, что разница должна быть обусловлена взаимодействиями внутри ядра".
Теперь команда планирует использовать этот прорывной метод для картирования распределения сил внутри ядра, контролируя ориентацию грушевидных ядер радия. "У нас теперь есть способ провести этот поиск", — заявляет соавтор Рональд Фернандес Гарсия Руис. Исследование, поддержанное Министерством энергетики США, проводилось с участием международных коллабораций, включая эксперимент CRIS в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарии.
Источник: MIT physicists just found a way to see inside atoms