Новые открытия к разгадке того, почему во Вселенной так мало антиматерии

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.

При определённых астрофизических процессах, таких как слияние нейтронных звёзд и взрывы звёзд, интересующие радиоактивные молекулы не существуют в природе и поэтому должны быть созданы искусственно. (Изображение: pixabay © CC0 1.0 )

Тот факт, что они смогли увидеть такие небольшие ядерные эффекты, предполагает, что у учёных теперь есть возможность искать в таких радиоактивных молекулах ещё более тонкие эффекты, вызванные, например, тёмной материей или эффектами новых источников нарушения симметрии материи и антивещества, связанные с некоторыми из текущих загадок Вселенной. Рональд Фернандо Гарсиа Руис, доцент физики Массачусетского технологического института, сказал:

«Теперь у нас есть возможность измерять эти нарушения симметрии, используя эти тяжёлые радиоактивные молекулы, которые имеют крайнюю чувствительность к ядерным явлениям, которые мы не видим в других молекулах в природе. Это может отвечать на один из главных тайн создания Вселенной».

Руис и его коллеги опубликовали свои результаты в Physical Review Letters.

Особая асимметрия вещества и антивещества

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. Ведущий автор исследования Сильвиу-Мариан Удреску, аспирант физического факультета Массачусетского технологического института, сказал:

«Радиоактивные ядра могут позволять нам легко увидеть эти нарушения симметрии. Недостатком является то, что они очень нестабильны и живут очень короткое время, поэтому нужны чувствительные методы, чтобы получить и обнаружить их быстро».

Вместо того чтобы пытаться определить радиоактивные ядра самостоятельно, команда поместила их в молекулу, которая ещё больше усиливает чувствительность к нарушениям симметрии.

Радиоактивные молекулы состоят по крайней мере из одного радиоактивного атома, связанного с одним или несколькими другими атомами. Каждый атом окружён 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 звёзд и звёздные 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.

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 онлайн, или ISOLDE, в ЦЕРНе, в Женеве, Швейцария, для производства небольших количеств изотопов RaF. (Изображение: Снай   via wikimedia/  )

В своём 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 онлайн, или ISOLDE, объект в ЦЕРН, Женева, 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 несёт больше нейтронов, чем следующий. С помощью отдельной системы лазеров команда измерила квантовые уровни каждой молекулы. Удреску, аспирант Лаборатории ядерных наук Массачусетского технологического института, объяснил:

«Представьте молекулу, вибрирующую как два шара на пружине, с определённым количеством энергии. Если вы измените количество нейтронов в одном из этих шаров, количество энергии может измениться. Но один нейтрон в 10 миллионов раз меньше молекулы, и с нашей точки текущей точностью мы не ожидали, что изменение одного нейтрона приведёт к возникновению разницы в энергии, но это произошло. И мы могли ясно увидеть этот эффект».

Удреску сравнивает чувствительность измерений с возможностью увидеть, как гора Эверест, расположенная на поверхности Солнца, может, хоть и незначительно, изменять радиус Солнца. Для сравнения увидеть определённые эффекты нарушения симметрии было бы всё равно, что увидеть, как ширина одного человеческого волоса изменит радиус Солнца.

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

«Эти очень тяжёлые радиоактивные молекулы являются особенными и имеют чувствительность к ядерным феноменам, которые мы не можем увидеть в других молекулах в природе. Это показывает, что, когда мы начинаем поиск эффектов, нарушающих симметрию, у нас есть высокий шанс обнаружить их в этих молекулах».

Предоставлено: Дженнифер Чу, Массачусетский технологический институт

Трой Оукс

Источник: nspirement.com