Лучшая из существующих у человечества на сегодняшний день теория для описания реальности — Стандартная модель. В ее рамках в момент возникновения Вселенной должно было существовать почти равное количество материи и антиматерии. Однако подавляющее большинство нашей измеримой и наблюдаемой реальности составляет материя.
Ученые считают, что это несовпадение теории и практики могут объяснить еще не найденные источники нарушения фундаментальных симметрий. Симметрии в этом смысле — представления о том, что законы физики работают одинаково при изменениях системы. Симметриями объясняются сохранение энергии, импульса и заряда.
Нарушения симметрии ученые надеются обнаружить в сложных ядрах атомов. Для поисков выбрали радий — законами физики его ядру предписано быть грушевидной формы, а не симметричным шаром. Оно должно быть асимметрично и по заряду, и по массе. Исследователи считают, что такая форма значительно увеличивает шансы на наблюдение нарушения фундаментальных симметрий.
Но заглянуть внутрь радия сложно, радиоактивные ядра относительно быстро распадаются. Более того, обычно эксперименты по исследованию атомных ядер требуют гигантских коллайдеров, способных разгонять частицы до высоких энергий и сталкивать их под наблюдением множества датчиков.
Международная группа физиков нашла способ стабилизировать радий и избежать использования коллайдеров. Они соединили радиоактивный радий-225 фтором и использовали свойства созданной молекулы для точного управления электронами. Исследователи обнаружили, что в такой молекуле электроны эффективно «сжимаются», что увеличивает вероятность и кратковременного проникновения в ядро атома. Собственные отрицательно заряженные частицы стали диагностическим инструментом ученых. Работа опубликована в журнале Science.
«Когда вы помещаете этот радиоактивный атом внутрь молекулы, влияющее на электроны внутреннее электрическое поле оказывается на порядки превышающим те, которые мы можем создать в лаборатории. В некотором смысле молекула действует как коллайдер и дает нам больше шансов исследовать ядро радия», — объяснил соавтор работы Сильвиу-Мариан Удреску (Silviu-Marian Udrescu).
Молекулы фторида радия ученые зафиксировали и охладили, а потом провели через систему вакуумных камер. В них с помощью лазеров физики с высокой точностью измерили энергии электронов каждой молекулы. Ученые надеялись, что электроны на короткое время проникнут в ядро радия и провзаимодействуют с его содержимым.
По результатам измерений физики обнаружили, что энергия электронов действительно отличалась от теоретических расчетов для случая без проникновения в ядро. Вернувшиеся из ядра электроны сохранили энергетический сдвиг. Он оказался крайне мал — одна миллионная от энергии лазерного фотона— но физики называют это однозначным доказательством взаимодействия электронов молекулы с протонами и нейтронами внутри ядра радия. Такое ядерное «сообщение» можно проанализировать для определения внутренней структуры атомного ядра.
Теперь у физиков есть доказательство возможности производить измерения короткоживущего ядра без его разрушения. Авторы статьи планируют применить новую методику для создания карт распределения сил внутри атомного ядра и поиска нарушений фундаментальных симметрий.