Представете си прахови частици в бурен облак и можете да добиете представа за незначителността на неутрон в сравнение с величината на молекулата, която обитава.
Но точно както праховият остатък може да повлияе на облака, така и неутронът може да повлияе на енергията на молекулата си, въпреки че е по-малък от една милионна от неговия размер. Сега физиците от MIT и други университети успешно са измерили малкия ефект на неутрона в радиоактивната молекула.
Екипът е разработил нова техника за производство и изследване на краткотрайни радиоактивни молекули с неутронни числа, които могат точно да се контролират. Те са подбрали ръчно няколко изотопа от една и съща молекула, всеки с по един неутрон повече от следващия. Когато измерват енергията на всяка молекула, те успяват да открият малки, почти незабележими промени в размера на ядрата, поради ефекта на един-единствен неутрон.
Фактът, че са успели да видят тези малки ядрени ефекти, предполага, че сега учените имат шанс да търсят такива радиоактивни молекули за още по-фини ефекти, причинени например от тъмната материя, или от ефектите на нови източници на нарушения на симетрията между материя и антиматерия – която се предполагаше по повод теорията за големия взрив – свързани с някои от настоящите загадки на Вселената.
„Ако законите на физиката са симетрични, както си мислим, че са, тогава Големият взрив трябваше да създаде материя и антиматерия в същото количество. Фактът, че повечето от това, което виждаме е материя и има само около една част на милион антиматерия, означава, че има нарушение на една от най-фундаменталните симетрии на физиката, по начин, който не можем да обясним с това, което знаем „, казва Роналд Фернандо Гарсия Руис, асистент по физика в MIT.
„Сега имаме шанс да измерим тези нарушения на симетрията, като използваме въпросните тежки радиоактивни молекули, които имат изключителна чувствителност към ядрени явления, които не можем да видим в други молекули в природата“, коментира още той. „Това би могло да даде отговори на една от основните загадки за начина на създаване на Вселената.„
Руиз и колегите му публикуваха резултатите си във Physical Review Letters.
Повечето атоми в природата са „домакини“ на симетрично, сферично ядро, с неутрони и протони, равномерно разпределени навсякъде. Но в някои радиоактивни елементи като радий, атомните ядра имат странна крушовидна форма, с неравномерно разпределение на неутрони и протони вътре. Физиците предполагат, че това изкривяване на формата може да засили нарушаването на симетриите, които дават началото на материята във Вселената.
„Радиоактивните ядра могат да ни позволят лесно да видим тези ефекти, нарушаващи симетрията„, казва водещият автор на изследването Силвиу-Мариан Удреску, аспирант в катедрата по физика на MIT. „Недостатъкът е, че те са много нестабилни и живеят за много кратко време, така че се нуждаем от чувствителни методи за бързото им производство и откриване.„
Вместо да се опитват сами да установят радиоактивни ядра, учените от екипа ги постави в молекула, която допълнително усилва чувствителността към нарушения на симетрията. Радиоактивните молекули се състоят от поне един радиоактивен атом, свързан с един или повече други атоми. Всеки атом е заобиколен от облак от електрони, които заедно генерират изключително високо електрическо поле в молекулата, което според физиците би могло да усили фините ядрени ефекти, като например ефектите от нарушаване на симетрията.
Тъй като в някои астрофизични процеси, като сливане на неутронни звезди и звездни експлозии, радиоактивните молекули, които представляват интерес, не съществуват в близката природа, те трябва да бъдат създадени изкуствено. Гарсия Руис и колегите му усъвършенстват техниките за създаване на радиоактивни молекули в лабораторията и прецизно изучаване на техните свойства. Миналата година те докладваха за метод за производство на молекули на радиев монофлуорид или RaF, радиоактивна молекула, която съдържа един нестабилен радиев атом и флуорен атом.
В новото си проучване екипът използва подобни техники за производство на RaF изотопи или версии на радиоактивната молекула с различен брой неутрони. Както и в предишния си експеримент, изследователите използваха съоръжението за изолиране на изотопни маси – ISOLDE в CERN в Женева, Швейцария, за да произвеждат малки количества RaF изотопи.
В съоръжението се помещава протонен лъч с ниска енергия, който екипът насочва към мишена – диск с размер на половин долар от уран-карбид, върху който също инжектират въглероден флуорид. Последвалите химични реакции произвеждат зоопарк от молекули, включително RaF, които екипът разделя, използвайки прецизна система от лазери, електромагнитни полета и йонни капани.
Изследователите измерват масата на всяка молекула, за да преценят броя на неутроните в радиевото ядро на молекулата. След това те сортират молекулите по изотопи според броя на неутроните им.
В крайна сметка подреждат в „купчини“ от пет различни изотопа на RaF, всеки от които има повече неутрони от предния. С отделна система от лазери екипът измерва квантовите нива на всяка молекула.
„Представете си молекула, която вибрира като две топки върху пружина, с определено количество енергия„, обяснява Удреску, който е аспирант в Лабораторията за ядрени науки на MIT. „Ако промените броя на неутроните в една от тези топки, количеството енергия може да се промени. Но един неутрон е 10 милиона пъти по -малък от молекула и с настоящата ни точност не очаквахме, че промяната ще създаде енергийна разлика, но се получи. И ние успяхме ясно да видим този ефект. „
Удреску сравнява чувствителността на измерванията с възможността да се види как връх Еверест, поставен върху повърхността на слънцето, може, макар и за минута, да промени радиуса на слънцето. За сравнение, наблюдаването на определени ефекти от нарушаването на симетрията би било като да се види как ширината на един човешки косъм би променила радиуса на слънцето.
Резултатите показват, че радиоактивните молекули като RaF са свръхчувствителни към ядрени ефекти и че тяхната чувствителност вероятно може да разкрие по-фини, невиждани досега ефекти, като малки ядрени свойства, нарушаващи симетрията, които биха могли да помогнат да се обясни асиметрията между материята-антиматерия в Вселената.
„Тези много тежки радиоактивни молекули са специални и имат чувствителност към ядрени явления, които не можем да видим в други молекули в природата„, казва Удреску. „Това показва, че когато започнем да търсим ефекти, нарушаващи симетрията, имаме голям шанс да ги видим в тези молекули.“
