Физики разработали новый метод для изучения атомных ядер

На изображении показана грушевидная структура ядра атома радия, окружённая облаком электронов (жёлтый цвет), а также электрон (жёлтый шар со стрелкой), который может оказаться внутри ядра. На заднем плане — сферическое ядро атома фтора, который соединяется с радием, образуя молекулу монофторида радия. Автор: Исследователи / Массачусетский технологический институт

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый способ исследования внутренней структуры атомных ядер, используя собственные электроны атома в качестве «посланников» внутри молекулы.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, учёные точно измерили энергию электронов, движущихся вокруг атома радия, соединённого с атомом фтора в молекуле монофторида радия. Они использовали молекулярную среду как своего рода микроскопический коллайдер, где электроны радия на короткое время проникали внутрь атомного ядра.

Обычно для изучения ядер требуются километровые ускорители, разгоняющие электроны до высоких скоростей. Новый метод предлагает настольную альтернативу для прямого зондирования ядра.

В молекулах монофторида радия команда зафиксировала небольшой сдвиг энергии электронов, что свидетельствовало об их кратковременном проникновении в ядро и взаимодействии с его содержимым. Этот сдвиг сохранялся, когда электроны покидали ядро, предоставляя «сообщение» о внутренней структуре ядра.

Метод позволяет измерить «магнитное распределение» в ядре, где каждый протон и нейтрон ведут себя как маленькие магниты. Это может помочь решить одну из главных загадок космологии: почему во Вселенной наблюдается гораздо больше материи, чем антиматерии.

«Наши результаты закладывают основу для последующих исследований, направленных на измерение нарушений фундаментальных симметрий на ядерном уровне», — говорит соавтор исследования Рональд Фернандо Гарсия Руис.

Ядро радия имеет необычную грушевидную форму, что, по мнению учёных, может усиливать проявления нарушения симметрий. Однако изучение радия осложняется его радиоактивностью и малыми количествами, которые удаётся получить.

«Когда вы помещаете этот радиоактивный атом внутрь молекулы, внутреннее электрическое поле, которое испытывают его электроны, на порядки больше, чем поля, которые мы можем создать в лаборатории», — объясняет соавтор работы Сильвиу-Мариан Удреску.

В эксперименте молекулы монофторида радия охлаждали и пропускали через вакуумные камеры, где с помощью лазеров точно измеряли энергии электронов. Обнаруженный сдвиг энергии, хотя и крайне малый, однозначно указывал на взаимодействие электронов с протонами и нейтронами внутри ядра.

«Теперь у нас есть доказательство, что мы можем „заглянуть“ внутрь ядра», — говорит Гарсия Руис.

В дальнейшем команда планирует использовать этот метод для точного картирования распределения сил внутри ядра и поиска нарушений фундаментальных симметрий природы.

Больше информации: S. G. Wilkins et al, Observation of the distribution of nuclear magnetization in a molecule, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adm7717