Вчені здійснили прорив, який може пояснити, чому ми існуємо

Фізики зробили прорив, точно вимірявши властивості монофториду радію, що дало змогу пояснити асиметрію матерії та антиматерії у Всесвіті — по суті, те, чому ми існуємо. Дослідження показує, як унікальні властивості молекули можуть бути використані в майбутніх експериментах для перевірки теорій, що виходять за рамки Стандартної моделі фізики частинок.

Дослідники успішно виміряли квантову структуру монофториду радію (RaF) за допомогою іонного захоплення та спеціалізованих лазерних методів, що дозволило детально схарактеризувати його обертальні енергетичні рівні та встановити схему лазерного охолодження.

Ці результати мають вирішальне значення для майбутніх експериментів з лазерного охолодження і захоплення молекул RaF, які, як очікується, відіграватимуть важливу роль у вивченні електрослабких властивостей ядер і порушень парності та симетрії обертання часу, що потенційно пояснює асиметрію матерії-антиматерії у Всесвіті.

Вперше ядерні фізики провели прецизійні вимірювання короткоживучої радіоактивної молекули — монофториду радію (RaF). Дослідники поєднали методи захоплення іонів зі спеціалізованими лазерними системами для вимірювання тонких деталей квантової структури RaF. Це дозволило схарактеризувати енергетичні рівні обертання цієї молекули, а також визначити схему її лазерного охолодження. Лазерне охолодження — це метод, який використовує лазерне світло для сповільнення і утримання атомів і молекул. Ці результати є важливим кроком для майбутніх експериментів, спрямованих на лазерне охолодження і утримання молекул RaF.

Лазерні прецизійні вимірювання радіоактивних молекул для фундаментальної фізики

Використовуючи лазери з точно налаштованою частотою λ, фізики контролюють обертальні стани молекул монофториду радію і збуджують специфічні обертальні рівні, що характеризуються квантовим числом J. Ці збудження проявляються у вигляді гострих спектральних піків. Фото: Сільвіу-Маріан Удреску

Погляди на фізику за межами стандартної моделі

Вчені передбачили, що молекули, які містять важкі ядра грушоподібної форми, такі як радій, дуже чутливі до ядерних електрослабких властивостей і фізики за межами Стандартної моделі. Сюди входять явища, що порушують парність і симетрію обернення часу.

Порушення зворотного ходу часу, поза межами поточних обмежень, є важливою умовою для пояснення асиметрії матерії-антиматерії у Всесвіті. Нові результати дають дослідникам детальну характеристику квантової структури RaF, відкриваючи можливість використання цієї молекули в майбутніх експериментах, спрямованих на пошук таких ефектів.

Спектроскопічні дослідження в ЦЕРН

Радіоактивні молекули, що містять октупольно-деформовані ядра, такі як радій (Ra), обіцяють бути винятковими квантовими системами для використання в дослідженнях фундаментальних частинок і сил природи. Унікальна грушоподібна форма ядра радію в поєднанні зі структурою енергетичних рівнів полярної молекули може призвести до підвищеної чутливості до ядерних властивостей, що порушують симетрію, більш ніж на п’ять порядків у порівнянні зі стабільними атомами.

Нещодавно ядерні фізики з Массачусетського технологічного інституту (MIT) та їхні колеги вперше спектроскопічно дослідили детальну структуру монофториду радію (RaF). Вони виконали роботу в рамках експерименту з колінеарної резонансної іонізаційної спектроскопії (CRIS) на установці ізотопного сепаратора на базі пучка радіоактивних іонів Європейської організації ядерних досліджень (ISOLDE — ЦЕРН).

Досягнення в дослідженні надхолодних молекул

Метод дослідників дозволив з високою чутливістю скласти карту енергетичних рівнів RaF, визначивши схему лазерного охолодження для уповільнення та уловлювання цієї молекули. Вчені швидко розвивають методи контролю та дослідження надхолодних молекул. Ці методи в поєднанні з новими можливостями радіоактивно-променевих установок для виробництва великої кількості радіоактивних молекул, таких як ЦЕРН (Швейцарія) і FRIB (США), відкривають новий рубіж у дослідженні атомного ядра і порушення фундаментальних симетрій природи.