Данные, полученные международным коллективом CRIS Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), подтвердили расчеты, выполненные петербургскими учеными.
Российские физики в составе международной группы впервые заглянули в магнитную структуру ядра радия с помощью молекулы. Исследования экспериментально подтвердили предложенную ранее теорию для учета вклада от распределения магнитного поля в ядре в молекулярные энергетические уровни. Новая работа делает шаг на пути к поиску фундаментальных эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.
В рамках Стандартной модели успешно объясняются практически все эффекты из мира элементарных частиц, эта модель не объясняет наблюдаемое сильное превалирование материи над антиматерией во Вселенной. Ученые предполагают, что это связано с нарушениями фундаментальных симметрий — базовых законов, отражающих физические процессы при отражении пространства, изменении направления течения времени или замене частиц на античастицы в процессах взаимодействия частиц. Но имеющихся в распоряжении Стандартной модели механизмов нарушения этих симметрий и их комбинаций недостаточно, чтобы объяснить столь сильное преобладание материи над антиматерией. Экспериментальные исследования атомов и особенно молекул позволяют искать такие нарушения, выходящие за рамки Стандартной модели, и могут дать новую информацию о фундаментальных взаимодействиях.
Важный шаг на пути к таким измерениям — наблюдение тонких эффектов во взаимодействии электронов с магнитным полем атомного ядра. Это взаимодействие похоже на то, как магнитное поле Земли влияет на стрелку компаса. Из-за того, что электроны с некоторой вероятностью могут проникать внутрь ядра, происходят крошечные сдвиги молекулярных уровней, которые несут информацию о распределении магнитного поля внутри ядра, создаваемого протонами и нейтронами; при этом электроны становятся естественным "зондом", позволяющим исследовать фундаментальные свойства ядра. Этот эффект известен как эффект Бора–Вайскопфа, и ранее фиксировался только в отдельных атомах, но не в молекулах, поскольку отсутствовали достаточно точные теоретические методы, способные описать столь малую поправку к расщеплению уровней.
Ученые из международного коллектива CRIS Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) впервые изучили проявление магнитной структуры ядра в молекуле — радий-фториде (RaF). Им удалось синтезировать молекулы, содержащие короткоживущие ядра радия-225 с периодом полураспада около двух недель, и измерить их спектр с рекордной точностью. Полученные данные сравнили с расчетами ученых НИЦ "Курчатовский институт" – ПИЯФ и Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), выполненными на основе новой теории. Эксперименты подтвердили, что в молекуле действительно проявляется влияние внутреннего распределения магнитного поля в ядре, что стало прямым свидетельством эффекта Бора–Вайскопфа на молекулярном уровне.
Молекула RaF представляет особый интерес для фундаментальной физики. Благодаря грушевидной форме ядра радия-225, усиливающей эффекты нарушения симметрий, молекулярные системы с этим ядром могут использоваться для поиска новых физических взаимодействий, связанных с несохранением пространственной инверсии и обращения времени. Эти исследования помогут лучше понять природу материи и причины барионной асимметрии Вселенной — того, почему во Вселенной вещество преобладает над антивеществом так сильно.
"Совпадение теоретических и экспериментальных данных по молекуле RaF демонстрирует, что современные методы молекулярной теории позволяют описывать взаимодействие электронов с ядром c субпроцентной точностью, и, в сочетании с экспериментом, выявлять тонкие эффекты. Эта работа является важным шагом к еще более чувствительным экспериментам на RaF, в которых можно будет искать проявления Новой физики и нарушения фундаментальных симметрий. Кроме того, развитые подходы применимы к другим задачам прецизионной атомной спектроскопии, которая лежит в основе сверхточных атомных часов", — рассказывает руководитель проекта Леонид Скрипников, НИЦ "Курчатовский институт" ПИЯФ, доцент СПбГУ.
