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新しい分子ベースの方法で、物理学者は原子核の内部を観察します。マサチューセッツ工科大学ニュース

MITの物理学者らは、原子自身の電子を分子内の「メッセンジャー」として利用し、原子核の内部を探査する新しい方法を開発した。で 勉強 今日の日記に掲載される 科学物理学者らは、一フッ化ラジウムの分子を作るためにフッ化物原子と対になったラジウム原子の周りを飛び回る電子のエネルギーを正確に測定した。彼らは、分子内の環境を一種の微視的な粒子衝突器として利用し、これにラジウム原子の電子が含まれ、原子核への短時間の侵入を促しました。通常、原子核の内部を調べる実験には、電子ビームを原子核に衝突してバラバラにするのに十分な速度まで加速する、長さ数キロメートルにも及ぶ巨大な施設が必要です。研究チームの新しい分子ベースの方法は、原子核の内部を直接調べるための卓上型の代替手段を提供する。研究チームは、一フッ化ラジウムの分子内で、ラジウム原子の電子が分子内を飛び回る際のエネルギーを測定した。彼らはわずかなエネルギーの変化を認識し、電子がラジウム原子の原子核を短時間貫通し、その内容物と相互作用したに違いないと判断しました。電子が飛び出てもこのエネルギーシフトを保持し、原子核の内部構造を感知するために分析できる核の「メッセージ」を提供します。研究チームの手法は、核の「磁気分布」を測定する新しい方法を提供する。原子核では、陽子と中性子はそれぞれ小さな磁石のように働き、原子核の陽子と中性子の広がり方に応じて並び方が異なります。研究チームは、彼らの方法を応用して、ラジウム原子核のこの特性を初めて正確にマッピングすることを計画している。彼らが発見したことは、宇宙論における最大の謎の 1 つを解くのに役立つ可能性があります。それは、なぜ宇宙には反物質よりもはるかに多くの物質が存在するのかということです。「我々の結果は、核レベルで基本的な対称性の破れを測定することを目的としたその後の研究の基礎を築いた」と、研究共著者でマサチューセッツ工科大学トーマス・A・フランク物理学准教授のロナルド・フェルナンド・ガルシア・ルイス氏は言う。 「これにより、現代物理学における最も差し迫った疑問のいくつかに対する答えが得られる可能性があります。」この研究の共著者には、MITのシェーン・ウィルキンス氏、シルヴィウ・マリアン・ウドレスク氏、アレックス・ブリンソン氏に加え、実験が行われたスイスのCERNの共線共鳴イオン化分光実験（CRIS）を含む複数の機関の共同研究者が名を連ねている。分子トラップ科学者の最もよく理解されているところによれば、宇宙が最初に存在したとき、物質と反物質の量はほぼ同量であったに違いありません。しかし、科学者が宇宙で測定および観察できるものの圧倒的大部分は物質から作られており、その構成要素は原子核内の陽子と中性子です。この観察は、私たちの最良の自然理論である標準模型の予測とはまったく対照的であり、私たちの宇宙に反物質がほぼ完全に存在しないことを説明するには、基本的な対称性の破れの追加の原因が必要であると考えられています。このような違反は、ラジウムなどの特定の原子の原子核内で見られる可能性があります。形状が球形であるほとんどの原子核とは異なり、ラジウム原子の核は、洋ナシに似た、より非対称な形状をしています。科学者たちは、この洋ナシの形により、基本的な対称性の破れを感知する能力が大幅に向上し、潜在的に観察できる可能性があると予測しています。「ラジウム原子核は、この対称性の破れを増幅させるものであると予測されています。なぜなら、その原子核は電荷と質量において非対称であり、これは非常に珍しいことだからです」とガルシア・ルイス氏は言う。彼のグループは、基本的な対称性破れの兆候についてラジウム原子核を調査する方法の開発に重点を置いている。ラジウム原子の原子核の内部を覗いて基本的な対称性を調査することは、信じられないほど難しい作業です。「ラジウムはもともと放射性であり、寿命が短いため、現在、一フッ化ラジウム分子はごく少量しか製造できません」と、研究主著者でMITの元ポスドクであるシェーン・ウィルキンス氏は言う。 「したがって、それらを測定するには非常に高感度な技術が必要です。」研究チームは、ラジウム原子を分子内に配置することで、その電子の挙動を閉じ込め、増幅できることに気づきました。「この放射性原子を分子の中に入れると、その電子が経験する内部電場は、私たちが実験室で生成して適用できる電場と比べて桁違いに大きくなります」と、研究共著者であるシルヴィウ・マリアン・ウドレスク博士（博士課程24年）は説明する。 「ある意味、この分子は巨大な粒子衝突器のように機能し、ラジウム原子核を調査するより良い機会を与えてくれます。」エネルギーシフト彼らの新しい研究では、研究チームはまずラジウム原子とフッ化物原子を組み合わせて一フッ化ラジウムの分子を作成した。研究者らは、この分子ではラジウム原子の電子が効果的に圧迫され、電子がラジウム原子核と相互作用してラジウム原子核を短時間貫通する可能性が高まっていることを発見した。次に、チームは分子を捕捉して冷却し、真空チャンバーのシステムに送り込み、そこにレーザーも送り込み、分子と相互作用させました。このようにして、研究者らは各分子内の電子のエネルギーを正確に測定することができました。彼らがエネルギーを計算したところ、電子が原子核を貫通しなかった場合に物理学者が予想するエネルギーと比較して、電子がわずかに異なるエネルギーを持っているように見えることがわかりました。このエネルギーシフトは小さいものでしたが、分子の励起に使用されたレーザー光子のエネルギーのわずか100万分の1に過ぎませんでしたが、分子の電子がラジウム原子核内の陽子および中性子と相互作用していることの明白な証拠を与えました。「原子核と原子核の外側の電子との相互作用を測定する実験は数多くあり、それらの相互作用がどのようなものであるかはわかっています」とウィルキンス氏は説明する。 「これらの電子エネルギーを非常に正確に測定しようとしたところ、それらが原子核の外側でのみ相互作用すると仮定すると、予想した値とまったく一致しませんでした。このことから、違いは原子核内の電子相互作用によるものに違いないことが分かりました。」「核内部のサンプルを採取できるという証拠が得られました」とガルシア・ルイス氏は言う。 「それは、電池の電場を測定できるようなものです。人々は外部の電場を測定できますが、電池の内部を測定することははるかに困難です。そしてそれが今、私たちにできることなのです。」研究チームは今後、この新しい技術を応用して核内の力の分布をマッピングする予定だ。彼らの実験にはこれまで、高温で各分子内にランダムな向きで存在するラジウム核が含まれていた。ガルシア・ルイスと彼の共同研究者らは、これらの分子を冷却し、洋ナシ型核の向きを制御して、分子の内容を正確にマッピングし、基本的な対称性の破れを探すことができるようにしたいと考えている。「ラジウム含有分子は、自然の基本的な対称性の違反を探索するための非常に敏感なシステムであると予測されています」とガルシア・ルイスは言う。 「その捜索を実行する方法ができました。」この研究は米国エネルギー省の一部支援を受けました。 #新しい分子ベースの方法で物理学者は原子核の内部を観察しますマサチューセッツ工科大学ニュース