Физики измеряют короткоживущих радиоактивных молекул впервые

Исследователи в Массачусетском технологическом институте и в других местах в сочетании с силой супер-коллайдера с помощью методов лазерной спектроскопии для точного измерения короткоживущих радиоактивных молекул монофторида радия, впервые.

Точность исследования радиоактивных молекул открывает новые возможности для ученых, для поиска новой физики за пределами Стандартной модели, таких как явления, нарушающие ряд фундаментальных симметрий в природе, и искать признаки темной материи. Методика экспериментальной группы также могут быть использованы для выполнения лабораторных исследований радиоактивных молекул, производимых в астрофизических процессов.

«Наши результаты открывают путь для высокоточного исследования короткоживущих радиоактивных молекул, которые могли бы предложить новые и уникальные лаборатории для исследований в фундаментальной физике и других областях», — говорит ведущий автор исследования, Рональд Фернандо Гарсия Руис, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.

Коллеги Гарсия Руис входит Алекс Бринсон, МИТ аспирант, вместе с международной командой исследователей, работающих в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований в Женеве. Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Nature.

Обращение времени

Простейшая молекула состоит из двух атомов, каждый из которых с ядром, содержащая определенное количество протонов и нейтронов, которые делают один атом тяжелее, чем другие. Каждый атом окружен облаком электронов. В присутствии электрического поля эти электроны могут быть перераспределены для создания очень большого электрического поля внутри молекулы.

Физики использовали молекулы и их электрических полей в мини-лабораториях для изучения фундаментальных свойств электронов и других субатомных частиц. Например, когда связанный электрон взаимодействует с молекулы электрическое поле, его энергия может меняться в результате которых ученые могут измерить вывести электронные свойства, такие как электростатический дипольный момент, который обеспечивает измерение ее отклонения от сферической формы.

Согласно стандартной модели физики элементарных частиц, элементарные частицы должны быть примерно сферической или иметь незначительное электростатический дипольный момент. Если, Однако, существует постоянный электрический дипольный момент частицы или системы , это будет означать, что определенные процессы в природе не так симметрично, как и физики, чем считалось раньше.

Например, физики считают, что самые фундаментальные законы физики должны оставаться неизменными с направление времени — принцип, известный как симметрия обращения времени. То есть, независимо от того, время бежит вперед или назад, гравитации, например, должно привести к шарику упасть с обрыва, или откат вверх, по той же траектории в скорости и пространстве. Если, однако, электрон не является идеально сферической, это означает, что симметрия обращения времени является нарушением. Это нарушение будет предоставлять столь необходимое условие для объяснения того, почему существует больше материи, чем антиматерии в нашей Вселенной.

Изучая взаимодействие электрона с очень сильными электрическими полями, ученые могли иметь возможность точного измерения их электрических дипольных моментов. В некоторых молекулах, тем тяжелее их атомов, тем сильнее их внутреннего электрического поля. Радиоактивные молекулы, содержащие по меньшей мере один неустойчивых ядер — могут быть адаптированы, чтобы увеличить свои внутренние электрические поля. Кроме того, тяжелые радиоактивные ядра могут иметь грушевидной формы, которые могут усилить их симметрии-нарушение свойств.

Из-за их высоких электрических полей и уникальных ядерных форм, радиоактивные молекулы могли сделать естественные лаборатории, в которых, чтобы зонд не только структуру электрона, но и симметрия-нарушение ядерно-физических свойств. Но эти молекулы-короткоживущие, и ученые не смогли его зафиксировать .

«Эти радиоактивные молекулы являются очень редкими в природе, и некоторые из них не может быть найден на нашей планете, но могут быть распространены в астрофизических процессов, таких как звездные взрывы или слиянием нейтронных звезд,» Гарсия Руис говорит. «Поэтому мы должны сделать их искусственно, и основные проблемы были, что они могут быть произведены только в небольших количествах при высоких температурах, и может быть очень кратковременным.»

Иголку в темноте

Команда искала способ сделать monoflouride радия, или раф — радиоактивную молекулу, которая содержит очень тяжелый, нестабильный атом радия, и атом фтора. Эта молекула представляет особый интерес, поскольку некоторые изотопы ядра радия сами по себе асимметричные, напоминающие по форме груши, с большей массой на одном конце ядра, чем другие.

Более того, теоретики предсказывали, что энергетическая структура монофторида радия бы заставить молекулы поддаются лазерного охлаждения, техника, которая использует лазеры, чтобы сбить температуру молекул, и замедлять их вниз достаточно, чтобы выполнять высокоточные исследования. В то время как большинство молекул имеют много энергетических состояниях они могут занимать большое число колебательных и вращательных состояниях, получается, что радий монофторида сувениры электронных переходов между несколько основных уровней энергии-необычайно простые молекулы для того чтобы контролировать, с помощью лазерного охлаждения.

Команде удалось измерить молекулы Раф сначала сделать небольших количествах молекулы, используя ЦЕРНа изотопной масс-сепаратор на линии, или Isolde в ЦЕРНе, который они потом манипулируют и учился с лазерами с использованием Коллинеарных резонансной ионизационной спектроскопии (Крис) эксперимент.

В своем эксперименте ученые использовали ЦЕРНа протонный синхротрон бустер, серии колец, которые получает протонов из ускорителя частиц и ускоряет протоны. Команда уволил этих протонов на мишень из карбида урана, при таких высоких энергиях, что натиск уничтожил урана, производя душ протонов и нейтронов, смешанным для того чтобы сформировать смесь радиоактивных ядер, в том числе радия.

Затем исследователи вводили газовую от тетрафторида углерода, который реагирует с радием, чтобы сделать обвинение или ионной молекулы монофторида радия, которого они отделились от остальных субпродуктов урана с помощью системы масс-разделители. Затем они прижали молекулы в ионную ловушку и окружили их с гелием, которые охлаждают молекулы достаточно для исследователей, чтобы измерить их.

Далее команда измерили молекул reaccelerating и пропуская их через настройки Сири, где ионные молекулы взаимодействует с атомами натрия, которые дали электрона на каждую молекулу для нейтрализации пучка молекул в полете. Затем нейтральные молекулы продолжены через область взаимодействия, где исследователи также светились две лазерные лучи — один красный, другой синий.

Команда настроена красного лазера по частоте вверх и вниз, и обнаружил, что на определенных длинах волн лазерного резонанс с молекулами, возбуждая электрона в молекуле на другой энергетический уровень, такой, что синий лазер тогда было достаточно энергии, чтобы удалить электрон из молекулы. В резонансно-возбужденных молекул, сделанные ионной опять увлеклись и собрали на детектор частиц, что позволило исследователям измерить, в первый раз, их энергетические уровни, и соответствующие молекулярные свойства, которые показывают, что структуры этих молекул является действительно благоприятным для лазерного охлаждения.

«Предыдущая нашим измерениям, все уровни энергии этих молекул были неизвестны», — говорит Гарсия Руис. «Это было похоже на попытку найти иголку в темной комнате, многие сотни метров в ширину. Теперь, когда мы нашли иглу, мы можем измерить свойства этой иглы и начать играть с ним».

Эта работа была поддержана Европейским исследовательским советом гранта DFG немецкое научно-исследовательское общество, STFC и Эрнест Резерфорд, ЭЗК-Фландрии, БРИКС ИАП исследовательской программы ENSAR2, Российского научного фонда, и во времени. А. Бринсон был поддержан Генри У. Кендалл (1955) общение.

сделать разницу: спонсорские возможности