Badanie opisane w Science dotyczy obserwacji efektu Bohra-Weisskopfa w cząsteczce florku radu (RaF). To zjawisko nigdy wcześniej nie zostało zaobserwowane w środowisku molekularnym, co nadaje całemu przedsięwzięciu wyjątkowy charakter. Dla fizyków jest to porównywalne z otrzymaniem nowego, niezwykle precyzyjnego narzędzia do badania fundamentalnych praw przyrody.
Elektrony pozwoliły zajrzeć do jądra RaF
Jądro radu w cząsteczce RaF charakteryzuje się nietypowym kształtem przypominającym gruszkę lub awokado. Mówimy tu o tzw. deformacji oktupolowej, która należy do rzadkości w świecie atomów. Występuje zaledwie w kilku radioaktywnych jądrach w całej tabeli pierwiastków, co czyni rad wyjątkowo cennym obiektem badań nad asymetrią w przyrodzie.
Czytaj też: Światło, które porusza atomy. Nowe odkrycie może zmienić przyszłość elektroniki
Radioaktywne jądra są wyjątkowo trudne do zbadania ze względu na swoją niestabilność. Rozpadają się w ciągu około 15 dni i można je wytworzyć jedynie w mikroskopijnych ilościach. Porównanie do próby sfotografowania motyla żyjącego kilka sekund i pojawiającego się raz na milion lat nie jest wcale przesadzone.
Naukowcy wytworzyli cząsteczki RaF w ośrodku ISOLDE w CERN poprzez bombardowanie celu uranowego wysokoenergetycznymi protonami. W wyniku tego procesu powstał rzadki izotop radu-225, który następnie połączono z gazowym fluorem. Skala trudności była ogromna – zespół wykrywał zaledwie ok. 50 cząsteczek na sekundę w stanie nadającym się do pomiaru, przy czym każda z nich istniała przez ułamki sekundy.
Wykrycie efektu w cząsteczce okazało się jeszcze bardziej skomplikowane niż w przypadku pojedynczych atomów. Elektrony przemieszczają się między dwoma jądrami, co znacząco rozmywa sygnały magnetyczne. Badacze musieli zastosować wiązki laserowe o precyzyjnie dobranych częstotliwościach, aby wychwycić subtelne przesunięcia w widmie światła.
Te przesunięcia ujawniły coś niezwykle interesującego – elektrony faktycznie badają wnętrze jądra radu, rejestrując jego wewnętrzne właściwości magnetyczne. To właśnie efekt Bohra-Weisskopfa, który demonstruje, jak rozkład magnetyzmu w jądrze wpływa na zachowanie elektronów. Fakt, że udało się to zaobserwować eksperymentalnie i opisać teoretycznie, potwierdza przydatność cząsteczek zawierających radioaktywne jądra do ultra-precyzyjnych pomiarów.
Badania te stanowią rygorystyczny test opisu funkcji falowej elektronów wewnątrz objętości jądra. Zmapowanie wewnętrznej struktury RaF otwiera drogę do badania jeszcze mniejszych efektów, które potencjalnie mogą łamać fundamentalne symetrie natury. Ma to kluczowe znaczenie dla poszukiwań nowej fizyki wykraczającej poza model standardowy.
Kolejnym krokiem będzie spowolnienie i uwięzienie cząsteczek przy użyciu laserów, co umożliwi przeprowadzenie jeszcze dokładniejszych pomiarów. Cząsteczki zawierające ciężkie, oktupolowo zdeformowane jądra mogą stać się potężnymi narzędziami do testowania fundamentalnych symetrii. Badania te mogą przyczynić się do wyjaśnienia, dlaczego we wszechświecie dominuje materia nad antymaterią – jednego z największych nierozwiązanych pytań współczesnej fizyki.