Akcelerator cząstek o szerokości jednej cząsteczki

Kiedy fizycy mówią o akceleratorach cząstek, zazwyczaj przychodzą na myśl obrazy wielokilometrowych pierścieni lub laserowych stopni plazmowych. W tym miesiącu zespół badawczy kierowany przez Massachusetts Institute of Technology zademonstrował uderzająco inne podejście: wykorzystanie pojedynczej cząsteczki jako sondy. Mierząc energie elektronów związanych wewnątrz cząsteczki monofluorku radu (RaF), grupa uzyskała informacje o tym, co dzieje się głęboko wewnątrz jądra radu – w efekcie zamieniając cząsteczkę w miniaturowy akcelerator cząstek, który pozwala zajrzeć do wnętrza rdzenia atomowego.

Na czym polegał eksperyment

Naukowcy wytworzyli cząsteczki RaF zawierające ciężki, krótkożyciowy izotop radu i wykorzystali spektroskopię laserową o wysokiej rozdzielczości, aby zarejestrować niewielkie przesunięcia poziomów energii elektronów. Przesunięcia te powstają, ponieważ w przypadku ciężkiego jądra, takiego jak jądro radu, niewielka część gęstości prawdopodobieństwa elektronu przenika do jądra i bada rozkład magnetyzacji oraz ładunku w jego wnętrzu. Pomiar tego efektu bezpośrednio w cząsteczce – i to z osiągniętą precyzją – jest nowością. Rezultatem jest metoda mapowania właściwości jądrowych bez użycia kilometrowych wiązek elektronów, zwykle stosowanych w eksperymentach rozproszeniowych.

Dlaczego cząsteczka może działać jak kolider

W konwencjonalnym akceleratorze elektrony są wystrzeliwane w stronę jądra, aby wymusić bezpośrednie oddziaływania. Wewnątrz cząsteczki elektrony są już związane z jądrami, ale mogą mieć niewielkie prawdopodobieństwo znajdowania się wewnątrz jądra w dowolnym momencie. Ciężkie jądra wytwarzają bardzo silne wewnętrzne pola elektryczne, a środowisko chemiczne cząsteczki może koncentrować i wzmacniać te pola oddziałujące na konkretne elektrony. Jeśli te elektrony chwilowo nakładają się na jądro, przenoszą informacje o nim na zewnątrz w postaci mierzalnych przesunięć spektroskopowych – co stanowi mikroskopowy odpowiednik badania jądra zewnętrzną wiązką. Zespół wykorzystał tę właściwość do wykrycia efektu od dawna omawianego w fizyce jądrowej: tego, jak wewnętrzny rozkład magnetyzacji jądra modyfikuje energię elektronów.

Jak wytwarzano i mierzono cząsteczki RaF

Wytwarzanie cząsteczek z radem jest technicznie wymagające, ponieważ niektóre izotopy radu są radioaktywne i występują tylko w śladowych ilościach. W eksperymencie połączono produkcję izotopów, staranne chemiczne formowanie RaF oraz techniki pułapkowania jonów i techniki laserowe w celu izolacji i badania cząsteczek. Pomiary przeprowadzono przy użyciu kompaktowego zestawu spektroskopowego podłączonego do ośrodka wytwarzania rzadkich izotopów, co pozwoliło zespołowi uchwycić i zbadać cząsteczki, które istnieją tylko przez krótką chwilę. Ten układ o skali laboratoryjnej jest jednym z powodów, dla których komentatorzy porównali tę metodę do zminiaturyzowanego kolidera.

Co zaobserwowano — i dlaczego to ważne

Dane ujawniają niewielkie przesunięcia energii zgodne z przenikaniem elektronów do jądra radu i pozwoliły zespołowi wywnioskować przestrzenny rozkład magnetyzacji jądrowej – efekt znany w fizyce atomowej jako efekt Bohra-Weisskopfa. Mapowanie tego rozkładu wewnątrz gruszkowatego jądra radu daje eksperymentalny dostęp do szczegółów struktury jądrowej, które mają znaczenie dla poszukiwań fizyki poza Modelem Standardowym fizyki cząstek elementarnych. W szczególności przewiduje się, że jądra radu z deformacją oktupolową (gruszkowatą) wzmacniają sygnały pochodzące z hipotetycznych efektów naruszających symetrię, takich jak stały elektryczny moment dipolowy (EDM) jądra, co sygnalizowałoby nowe źródła naruszenia symetrii względem odwrócenia czasu lub symetrii CP. Źródła te są kluczowe dla wyjaśnienia, dlaczego wszechświat zawiera znacznie więcej materii niż antymaterii.

Techniczny most między fizyką atomową a cząstek elementarnych

Eksperyment ten znajduje się na przecięciu dziedzin: zapożycza narzędzia z fizyki atomowej, molekularnej i optycznej (chłodzenie laserowe, spektroskopia, pułapki jonowe) i kieruje je ku pytaniom zwykle rezerwowanym dla fizyki jądrowej i fizyki cząstek. Korzyść jest dwutorowa. Po pierwsze, cząsteczki takie jak RaF mogą działać jako lokalne wzmacniacze skądinąd znikomych efektów jądrowych, czyniąc je łatwiejszymi do wykrycia. Po drugie, laboratoryjne metody molekularne są znacznie tańsze i bardziej dostępne niż budowa nowych dużych akceleratorów, przynajmniej w przypadku niektórych klas pomiarów. Nie zastępuje to koliderów wysokoenergetycznych w odkrywaniu nowych cząstek, ale otwiera komplementarne drogi dla precyzyjnych testów fundamentalnych symetrii.

Ograniczenia i kolejne kroki

Istnieją pewne zastrzeżenia. Obecne pomiary przeprowadzono na cząsteczkach o losowej orientacji i w stosunkowo wysokiej temperaturze, co ogranicza osiągalną precyzję. Aby popchnąć tę technikę w stronę poszukiwań EDM i innych naruszeń symetrii, eksperymentatorzy planują schłodzić i wyrównać cząsteczki, zwiększyć przepustowość próbki oraz połączyć spektroskopię z długimi czasami koherencji w pułapkach. Od strony teoretycznej, wyodrębnienie parametrów na poziomie jądrowym z widm molekularnych wymaga dokładnej relatywistycznej chemii kwantowej i modelowania jądrowego; postęp w tej dziedzinie będzie równie ważny jak ulepszanie aparatury pomiarowej.

Szersze implikacje

Wynik uzyskany dla RaF wpisuje się w szerszy trend: wykorzystanie inżynieryjnych układów kwantowych i precyzyjnych pomiarów do atakowania wielkich pytań fizyki fundamentalnej. Podobne strategie doprowadziły do postępów w poszukiwaniach ciemnej materii, zmian stałych fundamentalnych i niewielkich naruszeń symetrii. Jeśli ścieżka molekularna okaże się skalowalna – przy użyciu zimnych, uwięzionych w pułapkach i zorientowanych cząsteczek radioaktywnych oraz dopracowanej teorii – może stać się potężnym uzupełnieniem zarówno eksperymentów laboratoryjnych, jak i dużych ośrodków badawczych. Zmienia to definicję akceleratora: czasami niezbędne energie są skutecznie wytwarzane przez sam atom lub cząsteczkę, pod warunkiem, że wiemy, jak odczytać sygnał.

Podsumowanie

Nowy eksperyment nie pomniejsza Wielkiego Zderzacza Hadronów do rozmiarów pojedynczej cząsteczki. Pokazuje on jednak, że w przypadku określonej grupy pytań dotyczących struktury jądrowej i subtelnego łamania symetrii, chemia i optyka kwantowa mogą stworzyć laboratoryjny substytut dostarczający informacji w skali jądrowej. Dla naukowców tropiących ślady fizyki poza Modelem Standardowym – oraz dla tych, którzy marzą o tańszych, rozproszonych programach precyzyjnych pomiarów – jest to ekscytująca zmiana perspektywy: czasami najbardziej odkrywczymi akceleratorami są te, które natura wytwarza dla nas, cząsteczka po cząsteczce.