Fyzici našli nový způsob, jak nahlédnout do radioaktivní molekuly – a odhalili podivný jev v jejím jádru
Fyzici studovali vzácnou molekulu, aby se poprvé podívali na to, jak je magnetismus distribuován v radioaktivním jádru.
Pravidla přírody se obecně nemění. Pokud si hodíte míč v Seattlu nebo v Tokiu, padne stejně. Fyzici tomu říkají „symetrie“ a používají symetrii jako vodítko k tomu, jak by se měl vesmír chovat. Je to to, co udržuje svět konzistentní – kdyby fyzikální zákony fungovaly v úterý jinak, byl by vesmír chaos.
Zdá se však, že některé části přírody nedodržují tuto dokonalou rovnováhu. Například se může zdát spravedlivé předpokládat, že vesmír by měl s hmotou a antihmotou zacházet jako se sobě rovnými. Přesto je náš vesmír vytvořen téměř výhradně z hmotya fyzici stále nevědí proč.
Jedno slibné místo pro hledání odpovědí je uvnitř radioaktivních jader. Je to proto, že nerovnoměrné uspořádání protonů a neutronů může zvětšit ty nejmenší zlomy v symetrii. Pokud jsou vědci schopni detekovat tyto malé asymetrie, mohlo by to podle něj odhalit novou fyziku nad rámec standardního modelu Silviu-Marian Udrescufyzik na MIT a spoluautor nové studie tohoto fenoménu.
Ve studii zveřejněné 23. října v časopise Vědavědci z CERN a MIT zkoumali krátkodobou radioaktivní molekulu zvanou monofluorid radium (RaF), aby změřili její energetické spektrum. Překvapivě však skončili prvním pozorováním toho, jak je magnetismus distribuován v jednom z jeho jader. Tento jev, známý jako Bohr-Weisskopfův efekt, nebyl v molekule nikdy předtím pozorován.
Avokádo atomu
Molekula RaF se skládá ze dvou atomů: radia a fluoridu. Každý s vlastním jádrem. Radiové jádro má vlastnost zvanou „oktupólová deformace“.
„Můžete si to představit tak, že samotné jádro má tvar hrušky nebo avokáda,“ Shane Wilkinsfyzik na MIT a první autor studie, řekl Live Science. Díky svému asymetrickému tvaru je RaF perfektním kandidátem na nalezení asymetrií, které tým hledal.
„Je to velmi vzácná vlastnost,“ dodal Udrescu. „Vyskytuje se pouze v několika hrstkách atomových jader v celé jaderné mapě. A všechna jádra, která mají tento hruškovitý tvar, jsou radioaktivní.“
Tato radioaktivita ztěžuje studium takových jader, protože tyto izotopy jsou nestabilní a mají krátkou životnost. To znamená, že se rozpadají během přibližně 15 dnů a mohou zmizet dříve, než vědci stihnou provést mnoho měření. „Můžeme je vyrábět pouze ve velmi malých množstvích,“ řekl Wilkins.
Bohr-Weisskopfův efekt byl pozorován u jednotlivých atomů, kde elektrony interagují s jediným jádrem. Odhalit jej uvnitř molekuly je však náročnější. Je to proto, že elektrony se neustále pohybují mezi dvěma jádry. Pohyb může rozmazat magnetické signály a ztížit jejich detekci. V molekule RaF je atom fluoridu jednodušším vazebným partnerem. Umožňuje vědcům zaměřit se na magnetickou strukturu těžšího jádra radia.
Tým nejprve vytvořil fluorid radium at Zařízení CERN ISOLDE. Odpálili uranový terč vysokoenergetickými protony za vzniku vzácného izotopu radia-225 a spojili jej s plynným fluorem. Každá molekula existovala jen zlomky sekundy. Výzkumníci dokázali detekovat pouze asi padesát za sekundu ve správném stavu pro měření.
Poté nasměrovali několik laserových paprsků mírně odlišných frekvencí na molekuly. Když molekula absorbovala nebo vyzařovala světlo, vědci zaznamenali drobné změny v tomto světle. Tím vzniklo spektrum. Normálně tyto vzory vědcům říkají o tom, jak se elektrony pohybují kolem jádra. Ale v tomto případě některé posuny odhalily, že elektrony byly ovlivňovány vnitřkem jádra.
„Elektron ve skutečnosti sonduje uvnitř jádro, takže to již nemůžete považovat za interakci na dlouhé vzdálenosti. Místo toho začne vnímat vnitřní vlastnosti samotného jádra radia,“ řekl Wilkins.
„Tento efekt se nazývá Bohr-Weisskopfův efekt,„Podle našich nejlepších znalostí to nikdy předtím nebylo v molekule vidět.“ Skutečnost, že jsme mohli tento efekt pozorovat experimentálně a popsat jej teorií, nám říká hodně o tom, jak jsou tyto molekuly vhodné pro budoucí přesná měření.
Nyní, když vědci zmapovali vnitřní strukturu RaF, mohou ji použít ke zkoumání ještě menších efektů, které by mohly narušit symetrie přírody. Dalším krokem, řekl Wilkins, je zpomalit a zachytit tyto molekuly pomocí laserů, aby bylo možné provést ještě přesnější měření.
„Nyní víme, že to mohou být mocné nástroje k hledání nové fyziky,“ řekl Udrescu.
