Fysiker vid MIT har utvecklat en ny metod med molekyler för att undersöka insidan av atomkärnor, med elektroner som budbärare i en bordsuppställning. Genom att studera radiummonofluorid upptäckte de subtila energiskift som indikerar elektroninteraktioner inuti kärnan. Detta tillvägagångssätt kan hjälpa till att förklara universums obalans mellan materia och antimateria.
I en studie publicerad den 23 oktober i Science introducerade forskare från MIT en teknik som förvandlar molekyler till mikroskopiska partikelkolliderare för att kika in i atomkärnor. De fokuserade på radiummonofluorid (RaF), där elektroner som kretsar kring radiumatomen är instängda, vilket ökar chansen att de tillfälligt tränger in i kärnan. Traditionella metoder förlitar sig på massiva, kilometerstora acceleratorer för att krocka elektronstrålar mot kärnor, men denna molekylära metod erbjuder ett kompakt, bordsbaserat alternativ.
Experimenten, utförda vid Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment (CRIS) vid CERN i Schweiz, involverade att fånga och kyla RaF-molekyler, sedan belysa dem med lasrar för att mäta elektronenergier exakt. Teamet observerade ett litet energiskift — cirka en miljon-del av laserns fotonenergi — som tyder på att elektroner interagerade med protoner och neutroner inuti kärnan, och bar med sig ett 'nukleärt meddelande' vid utgången.
"Det finns många experiment som mäter interaktioner mellan kärnor och elektroner utanför kärnan, och vi vet hur de interaktionerna ser ut," förklarade huvudförfattaren Shane Wilkins, en före detta postdoc vid MIT. "När vi mätte dessa elektronenergier mycket exakt stämde det inte riktigt med vad vi förväntade oss under antagandet att de bara interagerade utanför kärnan."
Detta genombrott banar väg för att kartlägga den nukleära magnetiska fördelningen i radium, vars päronformade kärna förutsägs förstärka signaler från grundläggande symmetriviolationer. Sådana violationer kan förklara varför universum gynnar materia över antimateria, till skillnad från Standardmodellens förväntningar.
"Våra resultat lägger grunden för efterföljande studier som syftar till att mäta violationer av grundläggande symmetrier på nukleär nivå," sade medförfattaren Ronald Fernando Garcia Ruiz, Thomas A. Franck associerade professor i fysik vid MIT. "Detta kan ge svar på några av de mest brådskande frågorna i modern fysik."
Radiumkärnans asymmetriska form i laddning och massa gör den unikt lämpad för dessa undersökningar, som noterat av Garcia Ruiz: "Radiumkärnan förutsägs vara en förstärkare av denna symmetribrott, eftersom dess kärna är asymmetrisk i laddning och massa, vilket är ganska ovanligt."
Framtida planer inkluderar att kyla molekyler för att styra nukleära orienteringar och jaga symmetriviolationer mer effektivt. Forskningen stöddes delvis av USA:s energidepartement, med MIT-medförfattare inklusive Silviu-Marian Udrescu och Alex Brinson, tillsammans med internationella samarbetspartners.