Ученые впервые зафиксировали проявление внутренней магнитной структуры ядра с помощью молекулы

В молекуле RaF электрон (маленький желтый шарик со стрелкой) взаимодействует с магнитным моментом ядра радия (протоны и нейтроны показаны оранжевыми и синими шариками; ядро имеет грушевидную форму). Поскольку электрон с ненулевой вероятностью проникает внутрь ядра, наблюдается сдвиг энергетических уровней молекулы

© Леонид Скрипников

Физики в составе международной группы впервые заглянули в магнитную структуру ядра радия с помощью молекулы. Исследования экспериментально подтвердили предложенную ранее теорию для учета вклада от распределения магнитного поля в ядре в молекулярные энергетические уровни. Столь тонкие внутренние характеристики ядра можно было определить лишь в измерениях с атомами. Новая работа делает шаг на пути к поиску фундаментальных эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Science.

В рамках Стандартной модели успешно объясняются практически все эффекты из мира элементарных частиц, но некоторые фундаментальные вопросы остаются без ответа. Например, эта модель не объясняет наблюдаемое сильное превалирование материи над антиматерией во Вселенной. Ученые предполагают, что это связано с нарушениями фундаментальных симметрий — базовых законов, отражающих физические процессы при отражении пространства, изменении направления течения времени или замене частиц на античастицы в процессах взаимодействия частиц. Но имеющихся в распоряжении Стандартной модели механизмов нарушения этих симметрий и их комбинаций недостаточно, чтобы объяснить столь сильное преобладание материи над антиматерией. Экспериментальные исследования атомов и особенно молекул позволяют искать такие нарушения, выходящие за рамки Стандартной модели, и могут дать новую информацию о фундаментальных взаимодействиях.

Важным шагом на пути к таким измерениям является наблюдение тонких эффектов во взаимодействии электронов с магнитным полем атомного ядра. Это взаимодействие похоже на то, как магнитное поле Земли влияет на стрелку компаса. Из-за того, что электроны с некоторой вероятностью могут проникать внутрь ядра, происходят крошечные сдвиги молекулярных уровней, которые несут информацию о распределении магнитного поля внутри ядра, создаваемого протонами и нейтронами; при этом электроны становятся естественным «зондом», позволяющим исследовать фундаментальные свойства ядра. Этот эффект известен как эффект Бора–Вайскопфа, и ранее фиксировался только в отдельных атомах, но не в молекулах, поскольку отсутствовали достаточно точные теоретические методы, способные описать столь малую поправку к расщеплению уровней.

Ученые из международного коллектива CRIS Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) впервые исследовали проявление магнитной структуры ядра в молекуле — радий-фториде (RaF). Им удалось синтезировать молекулы, содержащие короткоживущие ядра радия 225 с периодом полураспада около двух недель, и измерить их спектр с рекордной точностью. Полученные данные сравнили с расчетами ученых Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» (Гатчина) и Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), выполненными на основе новой теории. Эксперименты подтвердили, что в молекуле действительно проявляется влияние внутреннего распределения магнитного поля в ядре, что стало прямым свидетельством эффекта Бора–Вайскопфа на молекулярном уровне.

Молекула RaF представляет особый интерес для фундаментальной физики. Благодаря грушевидной форме ядра радия-225, усиливающей эффекты нарушения симметрий, молекулярные системы с этим ядром могут использоваться для поиска новых физических взаимодействий, связанных с несохранением пространственной инверсии и обращения времени. Эти исследования помогут лучше понять природу материи и причины барионной асимметрии Вселенной — того, почему во Вселенной вещество преобладает над антивеществом так сильно.

«Совпадение теоретических и экспериментальных данных по молекуле RaF демонстрирует, что современные методы молекулярной теории позволяют описывать взаимодействие электронов с ядром c субпроцентной точностью, и, в сочетании с экспериментом, выявлять тонкие эффекты. Эта работа является важным шагом к еще более чувствительным экспериментам на RaF, в которых можно будет искать проявления Новой физики и нарушения фундаментальных симметрий. Кроме того, развитые подходы применимы к другим задачам прецизионной атомной спектроскопии, которая лежит в основе сверхточных атомных часов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Леонид Владимирович Скрипников, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт», доцент СПбГУ.

Источник: indicator.ru