Физики исследуют ядро атома с помощью электронов

Во Вселенной царит фундаментальная асимметрия, которая бросает вызов самым основам современной физики. Согласно теориям, при Большом взрыве должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, которые взаимно уничтожили бы друг друга, оставив после себя лишь безжизненное море излучения. Однако мы существуем в мире, полном материи, что указывает на таинственное нарушение этого изначального баланса. Ответ на вопрос, куда исчезла антиматерия, возможно, скрыт в сердцевине экзотических атомов. Физики из Массачусетского технологического института совершили прорыв, разработав остроумный настольный метод, который превращает саму молекулу в микроскопическую лабораторию для исследования ядерных тайн. Используя собственные электроны атома в качестве «посланников», они впервые смогли зафиксировать тонкие следы их проникновения в ядро, открывая новый путь к измерению свойств, которые могут объяснить, почему Вселенная состоит из чего-то, а не из ничего.

Исследование, опубликованное в журнале Science, основано на экспериментах с молекулами монофторида радия (RaF). Ученые выбрали радий не случайно. В отличие от большинства сферических ядер, ядро радия имеет уникальную грушевидную форму, где распределение массы и заряда асимметрично. Согласно теоретическим предсказаниям, такая деформация многократно усиливает чувствительность ядра к эффектам, связанным с нарушением фундаментальных симметрий, в частности, тех, что могли привести к доминированию материи над антиматерией.

Однако изучать ядро радия чрезвычайно сложно из-за его радиоактивности, короткого времени жизни и возможности производить лишь ничтожные количества вещества. Традиционные методы исследования ядерной структуры требуют гигантских ускорителей, разгоняющих частицы до огромных энергий для столкновения с ядрами. Команда MIT предложила принципиально иную, компактную альтернативу. Они поместили атом радия внутрь молекулы, создав для его электронов особые условия.

Как объясняют авторы, внутреннее электрическое поле внутри молекулы на порядки сильнее любых полей, которые можно создать в лаборатории искусственно. Это поле сжимает электроны атома радия, действуя как «коллайдер частиц» и значительно повышая вероятность того, что эти электроны на короткое время проникнут внутрь ядра и прочувствуют его внутреннюю структуру.

Эксперимент проводился в ЦЕРНе в сотрудничестве с коллаборацией CRIS. Ученые создали молекулы монофторида радия, захватили их, охладили и пропустили через вакуумные камеры, где на них воздействовали лазеры. Это позволило с беспрецедентной точностью измерить энергию электронов, вращающихся вокруг атома радия в молекуле. Анализ показал небольшой, но статистически значимый энергетический сдвиг.

Этот сдвиг, составлявший всего одну миллионную часть от энергии лазерного фотона, стал ключевым доказательством. Он не мог быть объяснен только взаимодействиями электронов с внешней частью ядра. Единственным правдоподобным объяснением было то, что электроны кратковременно проникали внутрь ядра, взаимодействовали с его протонами и нейтронами и, «вылетая» обратно, уносили с собой ядерное «сообщение» в виде этого энергетического отпечатка.

Это достижение открывает путь к прямому измерению так называемого ядерного «магнитного распределения» — картины ориентации магнитных моментов протонов и нейтронов внутри ядра. До сих пор эксперименты проводились с горячими молекулами, чьи ядра были ориентированы хаотично. Следующая цель команды — охладить молекулы до ультранизких температур и научиться контролировать ориентацию их грушевидных ядер. Это позволит с высочайшей точностью картировать внутреннюю структуру ядра радия и искать в ней те самые нарушения фундаментальных симметрий, которые предсказывают теории.

Как подчеркивает соавтор работы Рональд Фернандо Гарсия Руис, их результаты закладывают основу для исследований, направленных на измерение нарушений симметрий на ядерном уровне. Новый метод, по сути, дает ученым инструмент, чтобы «заглянуть» внутрь батарейки, а не просто измерять ее поле снаружи. Это прорыв не только в ядерной физике, но и в фундаментальной космологии. Возможность изучать ядра-«усилители», подобные ядру радия, с такой точностью приближает науку к разгадке одной из величайших тайн — почему видимая Вселенная состоит из материи.