Science: заглянуть внутрь ядра можно с помощью собственных электронов атома

Ученые Массачусетского технологического института разработали новый способ изучения внутреннего строения атомного ядра — без громоздких ускорителей и ядерных коллайдеров. Для этого физики использовали электроны самого атома радия в составе молекулы радий-фторида (RaF) в роли "внутренних зондов", способных проникать в ядро и выносить информацию о его структуре. Работа опубликована в журнале Science.

Обычно для подобных экспериментов требуются километровые ускорительные установки, где электроны сталкиваются с ядрами при огромных энергиях. Новый метод позволяет проводить аналогичные исследования буквально "на столе" — с помощью ловушек для молекул и лазерных измерений.

В молекулах радий-фторида исследователи измерили энергию электронов, вращающихся вокруг атома радия, и обнаружили крошечное, но отчетливое отклонение от ожидаемого значения. Этот сдвиг энергии — порядка одной миллионной энергии фотона лазера — свидетельствует, что электроны кратковременно проникали внутрь ядра и взаимодействовали с его протонами и нейтронами.

"Мы впервые доказали, что можем "заглянуть" внутрь ядра, — пояснил соавтор работы Рональд Гарсия Руис, доцент кафедры физики. — Это как если бы вы могли измерить электрическое поле батарейки не только снаружи, но и внутри нее — именно это мы сделали с атомом радия".

Ученые отметили, что в ядре каждый протон и нейтрон ведут себя как крошечный магнит. Новая методика позволяет впервые напрямую измерять распределение этих "магнитов" — так называемое ядерное магнитное распределение, которое может раскрыть, как устроены силы внутри ядра.

Исследователи планируют применить метод к точному картированию ядра радия. Его форма отличается от большинства атомов — вместо сферической оно имеет "грушевидную" асимметрию по массе и заряду. Ученые предполагают, что такая структура может усиливать эффекты нарушения фундаментальных симметрий природы — возможный ключ к пониманию, почему во Вселенной существует избыток материи над антиматерией.

Команда планирует усовершенствовать технологию, чтобы охлаждать молекулы и контролировать ориентацию их "грушевидных" ядер. Это позволит более точно измерить распределение зарядов и сил внутри ядра и, возможно, впервые зафиксировать нарушение фундаментальных симметрий природы.

"Молекулы с радиевым ядром — уникальная система, в которой можно искать новые физические явления, — подчеркнул Гарсия Руис. — Теперь у нас есть инструмент, чтобы начать этот поиск".