Если законы физики симметричны, как мы думаем, то Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в одинаковом количестве.
Представьте себе пылинку в грозовом облаке, и вы поймете, насколько ничтожен нейтрон по сравнению с величиной молекулы, в которой он обитает.
Но точно так же, как пылинка может повлиять на след облака, нейтрон может влиять на энергию своей молекулы, несмотря на то, что он меньше одной миллионной своего размера. А теперь физики из Массачусетского технологического института и других организаций успешно измерили крошечный эффект нейтрона в радиоактивной молекуле.
Команда разработала новый метод получения и изучения короткоживущих радиоактивных молекул с числом нейтронов, которые они могут точно контролировать. Они вручную отобрали несколько изотопов одной и той же молекулы, каждый из которых содержал на один нейтрон больше, чем другой. Когда они измерили энергию каждой молекулы, они смогли обнаружить небольшие, почти незаметные изменения размера ядра из-за воздействия одного нейтрона.
Тот факт, что они смогли увидеть такие небольшие ядерные эффекты, предполагает, что у ученых теперь есть шанс исследовать такие радиоактивные молекулы на предмет еще более тонких эффектов, вызванных, например, темной материей или эффектами новые источники нарушений симметрии, связанные с некоторыми текущими тайнами Вселенной.
«Если законы физики симметричны, как мы думаем, то Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в одинаковом количестве. Тот факт, что большая часть того, что мы видим, является материей, а антиматерия составляет всего одну часть на миллиард, означает, что имеет место нарушение самых фундаментальных физических симметрий, которое мы не можем объяснить всем, что знаем. », - говорит Рональд Фернандо Гарсия Руис, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.
«Теперь у нас есть возможность измерить эти нарушения симметрии, используя эти тяжелые радиоактивные молекулы, которые обладают чрезвычайной чувствительностью к ядерным явлениям, чего мы не можем наблюдать в других молекулах в природе», - говорит он. «Это может дать ответы на одну из главных загадок того, как была создана Вселенная».
Руиз и его коллеги опубликовали сегодня свои результаты в журнале Physical Review Letters.
Особая асимметрия
Большинство атомов в природе содержат симметричное сферическое ядро, в котором равномерно распределены нейтроны и протоны. Но в некоторых радиоактивных элементах, таких как радий, атомные ядра имеют странную грушевидную форму с неравномерным распределением нейтронов и протонов внутри. Физики предполагают, что это искажение формы может усилить нарушение симметрии, которое дало начало материи во Вселенной.
«Радиоактивные ядра могут позволить нам легко увидеть эти эффекты нарушения симметрии», - говорит ведущий автор исследования Сильвиу-Мариан Удреску, аспирант физического факультета Массачусетского технологического института.«Недостаток в том, что они очень нестабильны и живут очень короткое время, поэтому нам нужны чувствительные методы для их производства и быстрого обнаружения».
Вместо того, чтобы пытаться определить радиоактивные ядра сами по себе, команда поместила их в молекулу, которая еще больше усиливает чувствительность к нарушениям симметрии. Радиоактивные молекулы состоят как минимум из одного радиоактивного атома, связанного с одним или несколькими другими атомами. Каждый атом окружен облаком электронов, которые вместе создают чрезвычайно сильное электрическое поле в молекуле, которое, по мнению физиков, может усиливать тонкие ядерные эффекты, такие как эффекты нарушения симметрии.
Однако, за исключением некоторых астрофизических процессов, таких как слияние нейтронных звезд и звездные взрывы, интересующие нас радиоактивные молекулы не существуют в природе и поэтому должны быть созданы искусственно. Гарсия Руис и его коллеги совершенствовали методы создания радиоактивных молекул в лаборатории и точно изучали их свойства. В прошлом году они сообщили о методе получения молекул монофторида радия, или RaF, радиоактивной молекулы, которая содержит один нестабильный атом радия и атом фтора.
В своем новом исследовании команда использовала аналогичные методы для производства изотопов RaF или версий радиоактивной молекулы с различным числом нейтронов. Как и в предыдущем эксперименте, исследователи использовали онлайн-сепаратор изотопной массы, или ISOLDE, в ЦЕРН в Женеве, Швейцария, для производства небольших количеств изотопов RaF.
На объекте размещается пучок протонов низкой энергии, который группа направила на цель - диск размером в полдоллара из карбида урана, на который они также ввели фтористый углерод. В результате последовавших химических реакций образовался зоопарк молекул, в том числе RaF, которые команда разделила с помощью точной системы лазеров, электромагнитных полей и ионных ловушек.
Исследователи измерили массу каждой молекулы, чтобы оценить количество нейтронов в ядре молекулы радия. Затем они рассортировали молекулы по изотопам в соответствии с числом нейтронов.
В конце концов, они отсортировали группы из пяти различных изотопов RaF, каждая из которых несет больше нейтронов, чем следующая. С помощью отдельной системы лазеров команда измерила квантовые уровни каждой молекулы.
«Представьте себе молекулу, вибрирующую, как два шарика на пружине, с определенным количеством энергии», - объясняет Удреску, аспирант Лаборатории ядерных наук Массачусетского технологического института. «Если вы измените количество нейтронов в одном из этих шаров, количество энергии может измениться. Но один нейтрон в 10 миллионов раз меньше молекулы, и с нашей нынешней точностью мы не ожидали, что изменение одного нейтрона создаст разницу в энергии, но это произошло. И мы смогли четко увидеть этот эффект».
Удреску сравнивает чувствительность измерений с возможностью увидеть, как гора Эверест, расположенная на поверхности Солнца, может, пусть даже незначительно, изменить радиус Солнца. Для сравнения, увидеть определенные эффекты нарушения симметрии было бы похоже на то, как ширина одного человеческого волоса изменит радиус солнца.
Результаты показывают, что радиоактивные молекулы, такие как RaF, сверхчувствительны к ядерным эффектам и что их чувствительность, вероятно, может выявить более тонкие, невиданные ранее эффекты, такие как крошечные свойства ядер, нарушающие симметрию, которые могут помочь объяснить асимметрию материи и антиматерии во Вселенной.
«Эти очень тяжелые радиоактивные молекулы особенные и обладают чувствительностью к ядерным явлениям, чего мы не можем наблюдать у других молекул в природе», - говорит Удреску. «Это показывает, что, когда мы начинаем искать эффекты нарушения симметрии, у нас есть высокая вероятность увидеть их в этих молекулах».
Это исследование было частично поддержано Управлением ядерной физики Министерства энергетики США; глобальные посевные фонды MISTI; Европейский исследовательский совет; бельгийская исследовательская программа FWO Vlaanderen и BriX IAP; Немецкий исследовательский фонд; Совет Великобритании по науке и технологиям и стипендиальный грант Эрнеста Резерфорда.
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.