Новые ключи к разгадке того, почему во Вселенной так мало антивещества

Представьте себе пылинку в грозовом облаке, и вы получите представление о незначительности нейтрона по сравнению с величиной молекулы, в которой он обитает.

Но точно так же, как пылинка может повлиять на траекторию облака, нейтрон может повлиять на энергию своей молекулы, несмотря на то, что его размер меньше одной миллионной. И теперь физики из Массачусетского технологического института и других организаций успешно измерили крошечный эффект нейтрона в радиоактивной молекуле.

Команда разработала новую технику для производства и изучения короткоживущих радиоактивных молекул с нейтронными числами, которые они могут точно контролировать. Они вручную выбрали несколько изотопов одной и той же молекулы, у каждого из которых на один нейтрон больше, чем у следующего. Когда они измерили энергию каждой молекулы, они смогли обнаружить небольшие, почти незаметные изменения размера ядра из-за действия одного нейтрона.

Тот факт, что они смогли увидеть такие небольшие ядерные эффекты, предполагает, что у ученых теперь есть возможность искать в таких радиоактивных молекулах еще более тонкие эффекты, вызванные, например, темной материей или эффектами новых источников нарушений симметрии, связанных с некоторыми из них. текущих загадок Вселенной.

«Если законы физики симметричны, как мы думаем, то Большой взрыв должен был создать материю и антивещество в одинаковом количестве. антивещество означает нарушение самых фундаментальных симметрий физики, которое мы не можем объяснить с помощью всего того, что мы знаем », — говорит Рональд Фернандо Гарсиа Руис, доцент 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, которые мы не можем видеть в других молекулах в природе», — говорит он. «Это может дать ответ на одну из главных загадок того, как была создана Вселенная».

Руис и его коллеги опубликовали свои результаты сегодня в 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 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 быстрого получения и обнаружения».

Вместо того, чтобы пытаться определить радиоактивные ядра самостоятельно, команда поместила их в молекулу, которая в дальнейшем усиливает чувствительность к нарушениям симметрии. Радиоактивные молекулы состоят по крайней мере 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 радиоактивные молекулы не существуют в природе и поэтому должны быть созданы искусственно. Гарсиа 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, содержащей один нестабильный атом радия и атом фторида.

В своем новом исследовании команда использовала аналогичные методы для получения изотопов RaF или версий радиоактивной молекулы с различным количеством нейтронов. Как и в предыдущем эксперименте, исследователи использовали изотопный сепаратор массы в режиме онлайн, или ISOLDE, в ЦЕРНе, в Женеве, Швейцария, для производства небольших количеств изотопов RaF.

В объекте находится пучок протонов низкой энергии, который команда направила на цель — диск из карбида урана размером в полдоллара, на который они также впрыснули фтористый углерод. В результате последовавших химических реакций образовался целый ряд 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 радия молекулы. Затем они отсортировали молекулы по изотопам в соответствии с их числом нейтронов.

В конце концов, они отсортировали сгустки пяти разных изотопов RaF, каждый из которых несет больше нейтронов, чем следующий. С помощью отдельной системы лазеров команда измерила квантовые уровни каждой молекулы.

«Представьте себе молекулу, которая вибрирует, как два шара 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, чем молекула, и с нашей нынешней точностью мы не ожидали, что изменение одного из них создаст энергию разница, но это имело место. И мы смогли ясно увидеть этот эффект ».

Удреску сравнивает чувствительность измерений с возможностью увидеть, как гора Эверест, расположенная на поверхности Солнца, может, хотя бы на мгновение, изменить радиус Солнца. Для сравнения, увидеть определенные эффекты нарушения симметрии было бы все равно, что увидеть, как ширина одного человеческого волоса изменит радиус Солнца.

Результаты демонстрируют, что радиоактивные молекулы, такие как RaF, сверхчувствительны к ядерным эффектам и что их чувствительность, вероятно, может проявлять более тонкие, невиданные ранее эффекты, такие как крошечные нарушающие симметрию ядерные свойства, которые могут помочь объяснить антиматерию материи Вселенной. асимметрия.

«Эти очень тяжелые радиоактивные молекулы особенные и чувствительны к ядерным явлениям, которые мы не можем увидеть в других молекулах в природе», — говорит Удреску. «Это показывает, что, когда мы начинаем искать эффекты, нарушающие симметрию, у нас есть высокие шансы 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 по науке и технологиям Великобритании и стипендия Эрнеста Резерфорда.