Отримано нові підказки до питання: чому у Всесвіті так мало антиматерії?

Радіоактивні молекули чутливі до незначних ядерних явищ і можуть допомогти фізикам дослідити порушення найважливіших симетрій природи.

Як повідомляють OstanniPodii, про це розповідають у Массачусетському технологічному інституті (MIT).

Уявіть частинку пилу в грозовій хмарі, і ви зможете скласти уявлення про нікчемність нейтрона у порівнянні з величиною молекули, в якій він мешкає.

Але подібно до того, як пилинка може вплинути на шлях хмари, нейтрон може впливати на енергію своєї молекули, попри те, що його розмір складає менше однієї мільйонної частини. І тепер фізики з MIT та інших закладів успішно виміряли крихітний вплив нейтрона в радіоактивній молекулі.

Команда розробила нову техніку для отримання та вивчення недовгочасних радіоактивних молекул з числом нейтронів, які вони можуть точно контролювати. Вони впорядкували кілька ізотопів однієї й тієї ж молекули, кожен з яких мав на один нейтрон більше, ніж наступний. Вимірявши енергію кожної молекули, вони змогли виявити невеликі, майже непомітні зміни розмірів ядер, спричинені впливом одного нейтрона.

Той факт, що вони змогли побачити такі незначні ядерні впливи, свідчить про те, що вчені тепер мають можливість шукати у таких радіоактивних молекулах ще більш незначні впливи, викликані, наприклад, темною матерією, або ефектами нових джерел порушення симетрії, пов′язаних з деякими із поточних таємниць Всесвіту.

"Якщо закони фізики симетричні, як ми вважаємо, то Великий вибух повинен був створити матерію та антиматерію в однаковій кількості. Той факт, що більша частина того, що ми бачимо, є матерією, а антиматерії лише одна мільярдна частка, означає порушення самих фундаментальних симетрій фізики, що ми не можемо пояснити за допомогою всього того, що знаємо", - говорить Рональд Фернандо Гарсія Руїс, доцент фізики в MIT.

"Зараз у нас є шанс виміряти ці порушення симетрії, використовуючи ці важкі радіоактивні молекули, які мають надзвичайну чутливість до ядерних явищ, які ми не можемо спостерігати в інших молекулах в природі", - говорить він. "Це може надати відповіді на одну з головних таємниць того, як був створений Всесвіт".

Руїз та його колеги 7 липня опублікували свої результати в журналі Physical Review Letters.

Особлива асиметрія

Більшість атомів у природі містять симетричне сферичне ядро з рівномірно розподіленими нейтронами та протонами. Але в деяких радіоактивних елементах, таких як радій, атомні ядра мають дивну грушоподібну форму з нерівномірним розподілом нейтронів і протонів усередині. Фізики припускають, що таке спотворення форми може посилювати порушення симетрії, яке дало походження матерії у Всесвіті.

"Радіоактивні ядра моли б нам дозволити легко побачити ці ефекти, що порушують симетрію", - говорить провідний автор дослідження Сільвіу-Маріан Удреску, аспірант кафедри фізики MIT. "Недолік полягає в тому, що вони дуже нестабільні й живуть дуже короткий проміжок часу, тому нам потрібні чутливі методи для їх швидкого отримання та виявлення".

Замість того, щоб намагатися самостійно "зашпилити" радіоактивні ядра, команда помістила їх у молекулу, яка ще більше посилює чутливість до порушень симетрії. Радіоактивні молекули складаються щонайменше з одного радіоактивного атома, пов′язаного з одним або кількома іншими атомами. Кожен атом оточений хмарою електронів, які разом генерують надзвичайно високе електричне поле в молекулі, яке, на думку фізиків, може посилити незначні ядерні ефекти, такі як ефекти порушення симетрії.

Однак, крім певних астрофізичних процесів, таких як злиття нейтронних зір та зоряні вибухи, цікаві радіоактивні молекули в природі не існують, і тому їх слід створювати штучно. Гарсія Руїз та його колеги вдосконалюють методи створення радіоактивних молекул у лабораторії та точно вивчали їх властивості. Минулого року вони повідомили про спосіб отримання молекул монофториду радію, або RaF, – радіоактивної молекули, що містить один нестійкий атом радію та атом фтору.

У своєму новому дослідженні команда використовувала аналогічні методи для отримання ізотопів RaF, або версій радіоактивної молекули з різною кількістю нейтронів. Як і в попередньому експерименті, дослідники використовували Isotope Mass Separator On-Line, або ISOLDE в ЦЕРНі (Женева, Швейцарія) для отримання невеликих кількостей ізотопів RaF.

В установці є низькоенергетичний пучок протонів, який команда скерувала на ціль – диск, розміром з пів долара, із карбідом урану, на який вони також впорснули газ фториду вуглецю. В результаті хімічних реакцій утворився зоопарк молекул, включаючи RaF, який команда розділила за допомогою точної системи лазерів, електромагнітних полів та іонних пасток.

Дослідники виміряли масу кожної молекули, щоб оцінити кількість нейтронів в ядрі радію в молекулі. Потім вони сортували молекули за ізотопами відповідно до числа їх нейтронів.

Врешті-решт вони відсортували пучки з п’ятьма різними ізотопами RaF, кожен з яких містить більше нейтронів, ніж наступний. За допомогою окремої системи лазерів команда виміряла квантові рівні кожної молекули.

"Уявіть собі молекулу, яка вібрує, як дві кульки на пружині, з певною кількістю енергії", - пояснює Удреску, який є аспірантом лабораторії ядерних наук MIT. "Якщо змінити кількість нейтронів в одній з цих кульок, кількість енергії може змінитися. Але один нейтрон у 10 мільйонів разів менший за молекулу, і з нашою нинішньою точністю ми не очікували, що його зміна призведе до різниці в енергії, але це сталося. І ми змогли чітко побачити цей ефект".

Удреску порівнює чутливість вимірювань з можливістю побачити, як Еверест, розміщений на поверхні Сонця, міг би, хоч і на хвилину, змінити радіус Сонця. Для порівняння, побачити певні ефекти порушення симетрії було б як побачити, як ширина однієї людської волосинки змінить радіус Сонця.

Результати демонструють, що радіоактивні молекули, такі як RaF, надчутливі до ядерних ефектів, і що їх чутливість може виявити більш незначні, ніколи раніше не бачені ефекти, такі як крихітні, ті, що порушують симетрію, ядерні властивості, які можуть допомогти пояснити асиметрію матерія-антиматерія у Всесвіті.

"Ці дуже важкі радіоактивні молекули особливі та мають чутливість до ядерних явищ, яких ми не можемо спостерігати в інших молекулах у природі", - каже Удреску. "Це показує, що коли ми почнемо шукати ефекти, що порушують симетрію, у нас будуть високі шанси побачити їх у цих молекулах".