Получены новые подсказки к вопросу: почему во Вселенной так мало антиматерии?

Радиоактивные молекулы чувствительны к незначительным ядерных явлениям и могут помочь физикам исследовать нарушения важнейших симметрий природы.

Как сообщают OstanniPodii, об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT).

Представьте частичку пыли в грозовом облаке, и вы сможете составить представление о ничтожности нейтрона по сравнению с величиной молекулы, в которой он обитает.

Но подобно тому, как пылинка может повлиять на путь облака, нейтрон может влиять на энергию своей молекулы, несмотря на то, что его размер составляет менее одной миллионной части. И теперь физики из MIT и других заведений успешно измерили крошечное влияние нейтрона в радиоактивной молекуле.

Команда разработала новую технику для получения и изучения недолгоживущих радиоактивных молекул с числом нейтронов, которые они могут точно контролировать. Они упорядочили несколько изотопов одной и той же молекулы, каждый из которых имел на один нейтрон больше, чем следующий. Измерив энергию каждой молекулы, они смогли обнаружить небольшие, почти незаметные изменения размеров ядер, вызванные влиянием одного нейтрона.

Тот факт, что они смогли увидеть такие незначительные ядерные влияния, свидетельствует о том, что ученые теперь имеют возможность искать в таких радиоактивных молекулах еще более незначительные воздействия, вызванные, например, темной материей или эффектами новых источников нарушения симметрии, связанных с некоторыми текущими тайнами Вселенной.

"Если законы физики симметричны, как мы считаем, то Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в одинаковом количестве. Тот факт, что большая часть того, что мы видим, является материей, а антиматерии только одна миллиардная доля, означает нарушение самых фундаментальных симметрий физики, которые мы не можем объяснить с помощью всего того, что знаем", - говорит Рональд Фернандо Гарсия Руис, доцент физики в MIT.

"Сейчас у нас есть шанс измерить эти нарушения симметрии, используя эти тяжелые радиоактивные молекулы, которые имеют чрезвычайную чувствительность к ядерным явлениям, которые мы не можем наблюдать в других молекулах в природе", - говорит он. "Это может дать ответ на один из главных тайн того, как была создана Вселенная".

Руиз и его коллеги 7 июля опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters.

Особая асимметрия

Большинство атомов в природе содержат симметричное сферическое ядро ​​с равномерно распределенными нейтронами и протонами. Но в некоторых радиоактивных элементах, таких как радий, атомные ядра имеют странную грушевидную форму с неравномерным распределением нейтронов и протонов внутри. Физики предполагают, что такое искажение формы может усиливать нарушения симметрии, которое дало происхождение материи во Вселенной.

"Радиоактивные ядра моли бы нам позволить легко увидеть эти нарушающие симметрию эффекты", - говорит ведущий автор исследования Сильвиу-Мариан Удреску, аспирант кафедры физики MIT. "Недостаток заключается в том, что они очень нестабильны и живут очень короткий промежуток времени, поэтому нам нужны чувствительные методы для их быстрого получения и обнаружения".

Вместо того, чтобы пытаться самостоятельно "зашпилить" радиоактивные ядра, команда поместила их в молекулу, которая еще больше усиливает чувствительность к нарушениям симметрии. Радиоактивные молекулы состоят по меньшей мере с одного радиоактивного атома, связанного с одним или несколькими другими атомами. Каждый атом окружен облаком электронов, которые вместе генерируют чрезвычайно высокое электрическое поле в молекуле, которое, по мнению физиков, может усилить незначительные ядерные эффекты, такие как эффекты нарушения симметрии.

Однако, кроме определенных астрофизических процессов, таких как слияние нейтронных звезд и звездные взрывы, интересующие радиоактивные молекулы в природе не существуют, и поэтому их следует создавать искусственно. Гарсия Руиз и его коллеги совершенствуют методы создания радиоактивных молекул в лаборатории и точно изучали их свойства. В прошлом году они сообщили о способе получения молекул монофторида радия, или RaF, - радиоактивной молекулы, содержащей один неустойчивый атом радия и атом фтора.

В своем новом исследовании команда использовала аналогичные методы для получения изотопов RaF, или версий радиоактивной молекулы с разным количеством нейтронов. Как и в предыдущем эксперименте, исследователи использовали Isotope Mass Separator On-Line, или ISOLDE в ЦЕРНе (Женева, Швейцария) для получения небольших количеств изотопов RaF.

В установке есть низкоэнергетический пучок протонов, который команда направила на цель – диск, размером с пол доллара, с карбидом урана, на который они также впрыснули газ фторида углерода. В результате химических реакций образовался зоопарк молекул, включая RaF, который команда разделила с помощью точной системы лазеров, электромагнитных полей и ионных ловушек.

Исследователи измерили массу каждой молекулы, чтобы оценить количество нейтронов в ядре радия в молекуле. Затем они сортировали молекулы с изотопами по числу их нейтронов.

В конце концов они отсортировали пучки с пятью различными изотопами RaF, каждый из которых содержит больше нейтронов, чем следующий. С помощью отдельной системы лазеров команда измерила квантовые уровне каждой молекулы.

"Представьте себе молекулу, которая вибрирует, как два шарика на пружине, с определенным количеством энергии", - объясняет Удреску, который является аспирантом лаборатории ядерных наук MIT. "Если изменить количество нейтронов в одном из этих шариков, количество энергии может измениться. Но один нейтрон в 10 миллионов раз меньше молекулы, и с нашей нынешней точностью мы не ожидали, что его изменение приведет к разнице в энергии, но это произошло. И мы смогли четко увидеть этот эффект".

Удреску сравнивает чувствительность измерений с возможностью увидеть, как Эверест, размещенный на поверхности Солнца, мог бы, хоть на минуту, изменить радиус Солнца. Для сравнения, увидеть определенные эффекты нарушения симметрии было бы так само, как увидеть, как ширина одного человеческого волоса изменит радиус Солнца.

Результаты показывают, что радиоактивные молекулы, такие как RaF, сверхчувствительны к ядерным эффектам, и их чувствительность может обнаружить более незначительные, никогда ранее не виданные эффекты, такие как крошечные, нарушающие симметрию, ядерные свойства, которые могут помочь объяснить асимметрию материя -антиматерия во Вселенной.

"Эти очень тяжелые радиоактивные молекулы особенные и имеют чувствительность к ядерным явлениям, которых мы не можем наблюдать в других молекулах в природе", - говорит Удреску. "Это показывает, что когда мы начнем искать нарушающие симметрию эффекты, у нас будут большие шансы увидеть их в этих молекулах".