Fizičari iz MIT-a otkrili molekularnu tehniku za posmatranje jezgra atoma

Fizičari iz Masačusetskog instituta za tehnologiju (MIT) pretvorili su molekule u male sudarače kako bi zavirili u unutrašnjost atomskih jezgara – i možda otkrili zašto univerzum uopšte postoji.

Istraživači su razvili novu molekularnu tehniku koja omogućava elektronima da uđu u unutrašnjost atomskih jezgara, zamenjujući masivne akceleratore čestica stonim sistemom.

Preporučujemo

Proučavajući radijum-monofluorid, detektovali su energetske pomake koji pokazuju interakciju elektrona unutar jezgra. Ovo otkriće bi moglo pomoći da se razjasni zašto materija dominira nad antimaterijom u univerzumu.

Fizičari su predstavili tehniku za proučavanje unutrašnjosti atomskog jezgra pomoću elektrona samog atoma kao "glasnika" unutar molekula.

Precizno je izmerena energija elektrona oko atoma radijuma koji je bio hemijski vezan za atom fluorida, formirajući radijum-monofluorid. Koristeći molekularno okruženje kao mikroskopsku zamenu za sudarač čestica, zatvorili su elektrone radijumovog atoma i povećali verovatnoću da će neki od njih nakratko proći kroz jezgro.

Tradicionalni eksperimenti koji istražuju unutrašnjost nukleusa zavise od kilometarskih akceleratora koji ubrzavaju snopove elektrona da udare u jezgra i rasparčaju ih. Novi pristup na bazi molekula obezbeđuje kompaktan način da se direktno ispita unutrašnjost jezgra.

Radeći sa radijum-monofluoridom, istraživači su pratili energije elektrona radijumovog atoma dok su se kretali unutar molekula. Uočili su malu promenu u energiji i zaključili da su neki od elektrona verovatno ušli u jezgro nakratko i reagovali sa onim što se nalazi unutra. Dok su elektroni izlazili, zadržali su promenu energije, noseći "poruku" iz jezgra koja otkriva osobine njegove unutrašnjosti.

Ova metoda otvara put za merenje "magnetne distribucije" jezgra. Unutar jezgra, svaki proton i neutron ponaša se kao mali magnet, a njihova orijentacija zavisi od načina na koji su ove čestice raspoređene. Fizičari planiraju da upotrebe ovu tehniku kako bi prvi put mapirali ovo svojstvo kod radijuma, što bi moglo pomoći u rešavanju jednog od centralnih pitanja kosmologije: zašto univerzum sadrži mnogo više materije nego antimaterije.

"Naši rezultati postavljaju temelje za naredna istraživanja u cilju merenja poremećaja fundamentalnih simetrija na nivou nukleusa", kažu istraživači. "Ovo bi moglo dati odgovore na neka od najvažnijih pitanja moderne fizike".

Prema trenutnom razumevanju, rani univerzum je trebalo da sadrži skoro jednake količine materije i antimaterije. Ipak, gotovo sve što možemo da detektujemo danas je materija sastavljena od protona i neutrona unutar atomskih jezgara.

Ova opservacija je u sukobu sa očekivanjima iz Standardnog modela, sugerišući da su potrebni dodatni izvori narušavanja fundamentalne simetrije da bi se objasnio nedostatak antimaterije. Takvi efekti mogli bi se javiti unutar jezgara određenih atoma, uključujući radijum.

Za razliku od većine jezgara, koja su gotovo sferična, jezgro radijuma ima asimetričan, kruškasti oblik. Teoretičari predviđaju da ova geometrija može pojačati signale narušavanja simetrije dovoljno da ih učini potencijalno primetnim.

"Radijumovo jezgro je predviđeno kao pojačivač ovog kršenja simetrije jer je asimetrično u naelektrisanju i masi, što je prilično neobično", kažu istraživači usredsređeni na razvoj metoda za ispitivanje radijumovih jezgara u potrazi za znacima narušavanja fundamentalne simetrije.

Radijum je prirodno radioaktivan, sa kratkim vekom trajanja, i trenutno mogu samo da se proizvedu molekuli radijum-monofluorida u vrlo malim količinama. „Zbog toga su nam potrebne izuzetno osetljive tehnike da bismo ih mogli izmeriti“, kažu istraživači.

Otkriveno je da ugradnja atoma radijuma u molekul može ograničiti i uveličati ponašanje njegovih elektrona.

"Kad stavite ovaj radioaktivni atom u molekul, unutrašnje električno polje koje doživljavaju njegovi elektroni je mnogo veće nego polja koja možemo proizvesti i primeniti u laboratoriji", kažu naučnici. "Na izvestan način, molekul funkcioniše kao ogroman sudarač čestica i daje nam bolju šansu da istražimo jezgro radijuma".

Radijum-monofluorid je napravljen povezivanjem atoma radijuma sa atomima fluorida. U ovom molekulu, radijumovi elektroni su praktično stisnuti, što povećava šansu da će reagovati sa radijumovim jezgrom i nakratko ući u njega.

Molekuli su zatim zarobljeni i ohlađeni, sprovedeni kroz vakuumske komore i osvetljeni laserima prilagođenim za interakciju sa molekulima. Ova postavka je omogućila da se precizno izmere energije elektrona unutar svakog molekula.

Izmerene energije su pokazale suptilnu razliku u odnosu na očekivanja zasnovana na elektronima koji ne ulaze u jezgro. Iako je promena energije samo otprilike milioniti deo energije laserskog fotona koji je upotrebljen za pobuđivanje molekula, obezbedila je jasne dokaze da su elektroni imali interakciju sa protonima i neutronima unutar jezgra.

"Postoje mnogi eksperimenti koji mere interakcije između jezgara i elektrona izvan jezgra, i znamo kako te interakcije izgledaju", kažu istraživači. "Kad smo vrlo precizno izmerili ove energije elektrona – to se nije potpuno slagalo s onim što smo očekivali pretpostavljajući samo interakcije izvan jezgra. To nam je kazalo da je razlika morala nastati zbog interakcija elektrona unutar jezgra".

"Sada imamo dokaz da možemo ispitivati unutrašnjost jezgra. To je kao da merite električno polje baterije. Ljudi mogu da mere njeno polje spolja, ali je mnogo veći izazov meriti unutar baterije. I to je ono što sad možemo da radimo."

U budućnosti, istraživači planiraju da primene novu tehniku za mapiranje distribucije sila unutar jezgra. Eksperimenti su dosad uključivali radijumova jezgra u nasumičnim orijentacijama unutar svakog molekula na visokoj temperaturi. Naučnici žele da mogu da ohlade ove molekule i da kontrolišu orijentacije njihovih kruškastih jezgara kako bi precizno mapirali njihov sadržaj i tragali za narušavanjem fundamentalne simetrije.

"Predviđa se da su molekuli koji sadrže radijum izuzetno osetljivi sistemi za potragu za narušavanjima fundamentalnih simetrija prirode. Sad imamo način da izvedemo tu potragu", kažu fizičari.

(Telegraf Nauka/Science Daily)