Ускоритель частиц шириной в одну молекулу

Когда физики говорят об ускорителях частиц, на ум обычно приходят изображения многокилометровых колец или лазерно-плазменных каскадов. В этом месяце исследовательская группа под руководством Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) продемонстрировала поразительно иной подход: использование одиночной молекулы в качестве зонда. Измеряя энергию электронов, связанных внутри молекулы монофторида радия (RaF), группа извлекла информацию о том, что происходит глубоко внутри ядра радия — фактически превратив молекулу в миниатюрный ускоритель частиц, способный заглянуть внутрь атомного ядра.

Что именно было сделано в ходе эксперимента

Исследователи создали молекулы RaF, содержащие тяжелый короткоживущий изотоп радия, и использовали лазерную спектроскопию высокого разрешения для регистрации крошечных сдвигов в энергетических уровнях электронов. Эти сдвиги возникают из-за того, что в случае тяжелого ядра, такого как у радия, небольшая часть плотности вероятности нахождения электрона проникает в ядро и «зондирует» распределение намагниченности и заряда внутри него. Прямое измерение этого эффекта в молекуле — и с достигнутой точностью — является новшеством. В результате был получен способ картирования ядерных свойств без использования километровых электронных пучков, обычно применяемых в экспериментах по рассеянию.

Почему молекула может работать как коллайдер

В обычном ускорителе вы сталкиваете электроны с ядром, чтобы вызвать прямое взаимодействие. Внутри молекулы электроны уже связаны с ядрами, но в любой момент времени существует небольшая вероятность того, что они окажутся внутри ядра. Тяжелые ядра создают очень сильные внутренние электрические поля, а химическая среда молекулы может концентрировать и усиливать эти поля, воздействующие на конкретные электроны. Если эти электроны на мгновение перекрываются с ядром, они выносят информацию о нем в виде измеримых спектроскопических сдвигов — микроскопический аналог зондирования ядра внешним пучком. Команда использовала это свойство для обнаружения эффекта, давно обсуждаемого в ядерной физике: того, как распределение внутренней намагниченности ядра изменяет энергию электронов.

Как производились и измерялись молекулы RaF

Создание молекул с радием технически сложно, поскольку некоторые изотопы радия радиоактивны и встречаются лишь в ничтожных количествах. В эксперименте сочетались производство изотопов, тщательный химический синтез RaF, а также методы ионных ловушек и лазерные технологии для изоляции и изучения молекул. Измерения проводились с использованием компактной спектроскопической установки, подключенной к комплексу для работы с редкими изотопами, что позволило команде улавливать и изучать молекулы, существующие лишь короткое время. Такая компоновка настольного масштаба — одна из причин, по которой комментаторы сравнили этот метод с миниатюрным коллайдером.

Что было обнаружено и почему это важно

Полученные данные выявили крошечные энергетические сдвиги, согласующиеся с проникновением электронов в ядро радия, и позволили команде сделать вывод о пространственном распределении ядерной намагниченности — эффект, известный в атомной физике как эффект Бора — Вайскопфа. Картирование этого распределения внутри грушевидного ядра радия дает экспериментальный доступ к деталям структуры атомного ядра, которые важны для поисков физики за пределами Стандартной модели. В частности, предсказывается, что ядра радия с октупольной (грушевидной) деформацией усиливают сигналы от гипотетических эффектов нарушения симметрии, таких как постоянный электрический дипольный момент (ЭДМ) ядра, который указывал бы на новые источники нарушения симметрии относительно обращения времени или CP-инвариантности. Эти источники занимают центральное место в объяснениях того, почему Вселенная содержит гораздо больше материи, чем антиматерии.

Технический мост между атомной физикой и физикой частиц

Этот эксперимент находится на стыке дисциплин: он заимствует инструменты атомной, молекулярной и оптической физики (лазерное охлаждение, спектроскопия, ионные ловушки) и направляет их на вопросы, которые обычно относятся к области ядерной физики и физики частиц. Выгода здесь двойная. Во-первых, такие молекулы, как RaF, могут выступать в качестве локальных усилителей ничтожно малых в иных условиях ядерных эффектов, облегчая их обнаружение. Во-вторых, настольные молекулярные методы гораздо дешевле и доступнее, чем строительство новых крупных ускорителей, по крайней мере, для определенных классов измерений. Это не заменяет высокоэнергетические коллайдеры в деле открытия новых частиц, но открывает дополнительные пути для прецизионных тестов фундаментальных симметрий.

Ограничения и следующие шаги

Существуют определенные нюансы. Текущие измерения проводились на молекулах с произвольной ориентацией и при относительно высокой температуре, что ограничивает достижимую точность. Чтобы использовать эту технику для поиска ЭДМ и других нарушений симметрии, экспериментаторы планируют охлаждать и выравнивать молекулы, увеличивать пропускную способность образцов и сочетать спектроскопию с длительным временем когерентности в ловушках. Что касается теоретической стороны, извлечение параметров ядерного уровня из молекулярных спектров требует точной релятивистской квантовой химии и ядерного моделирования; прогресс в этой области будет так же важен, как и совершенствование измерительного оборудования.

Более широкие последствия

Результат с RaF является частью более широкого тренда: использования спроектированных квантовых систем и прецизионных измерений для решения глобальных вопросов фундаментальной физики. Аналогичные стратегии привели к успехам в поисках темной материи, вариаций фундаментальных констант и крошечных нарушений симметрии. Если молекулярный путь масштабируется — с использованием холодных, захваченных в ловушки, ориентированных радиоактивных молекул и усовершенствованной теории — он может стать мощным дополнением как к настольным экспериментам, так и к крупным установкам. Это переосмысливает саму идею ускорителя: иногда необходимые энергии эффективно создаются самим атомом или молекулой, если мы знаем, как считать этот сигнал.

Заключение

Новый эксперимент не превращает Большой адронный коллайдер в одиночную молекулу. Он показывает, что для определенного круга вопросов о структуре атомного ядра и тонком нарушении симметрии химия и квантовая оптика могут создать настольный суррогат, предоставляющий информацию ядерного масштаба. Для исследователей, охотящихся за следами физики за пределами Стандартной модели, и для тех, кто мечтает о более доступных, распределенных программах прецизионных измерений, это захватывающая смена перспективы: иногда самыми информативными ускорителями оказываются те, которые природа создает для нас сама, по одной молекуле за раз.