Зеркальные ядра продемонстрировали сильное нарушение симметрии
Зеркальные ядра криптона и селена продемонстрировали сильное нарушение симметрии. Физики давно заметили отклонение энергетических состояний этих ядер от ожидаемых и теперь измерили вероятности гамма-переходов в криптоне, селене и броме. Обнаруженные расхождения с теоретическими предсказаниями невозможно объяснить в рамках существующих моделей. Ученые предположили, что они связаны с различиями в форме ядер. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Зеркальные ядра — это ядра с одинаковым массовым числом, которые превращаются друг в друга при замене протонов в них на нейтроны, а нейтронов на протоны. У них близкие спектры возбужденных состояний, одинаковые значения спина и четности, а их массы отличаются на небольшую величину.
Существование этих ядер можно объяснить схожестью протонов и нейтронов во всем, кроме заряда. Для сильного взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов и других адронов, они абсолютно идентичны, и отличаются только одной квантовой характеристикой — проекцией изоспина. Поэтому их рассматривают как разные состояния одной частицы с изоспином ½: у протона его проекция -½, а у нейтрона +½. Небольшую разницу в их массах — всего 0,1 процента — связывают с электромагнитным взаимодействием, считая, что нарушения симметрии сильного взаимодействия малы и не приводят к видимым эффектам.
Физики изучают зеркальные ядра, чтобы получить информацию о нарушениях изоспиновой симметрии. До сих пор основным способом сделать это был анализ разностей энергий возбужденных состояний зеркальных ядер. Недавно нарушение симметрии было обнаружено в зеркальной паре с массовым числом 73: 73Sr и 73Br. У этих ядер отличаются спины основных состояний, но разность энергий их возбуждения составляет всего 27 килоэлектронвольт. Это нарушение очень маленькое, и его можно сопоставить с другими случаями.
Однако у зеркальных ядер должны быть не только близкие энергетические спектры. Такие ядра являются членами одного изобарического мультиплета — набора ядер с одинаковым массовым числом. Независимость сильного взаимодействия от заряда предполагает, что у всех членов мультиплета будут одинаковые волновые функции и чистые изоспиновые состояния без смешивания. Энергии возбуждения не дают информации о симметрии волновых функций и чистоте изоспиновых состояний.
Кэтрин Виммер (Katrin Wimmer) из Токийского университета и ее коллеги использовали другой, более точный способ проверки нарушения изоспиновой симметрии. В его основе лежит матрица электромагнитных переходов, каждому элементу которой ставится в соответствие изоскалярный или изовекторный переход между разными состояниями ядер. Зная элементы этой матрицы, можно рассчитать вероятности переходов. По теоретическим предсказаниям вероятность должна меняться линейно.
Для эксперимента выбрали мультиплет ядер с массовым числом 70: он включает ядро 70Br, а также зеркальные ядра 70Kr и 70Se. Предыдущие исследования уже выявили необычное поведение ядер этого мультиплета, связанное с различиями в их кулоновской энергии.
В новом эксперименте физики использовали ионный ускоритель, чтобы получить пучок ядер. После их направили в слой золотой фольги. При столкновении с ядрами мишени происходило излучение гамма-квантов, спектр которых зафиксировали и проанализировали на наличие нужных переходов — из возбужденного состояния со спин-четностью 2+ в основное состояние 0+. Возбужденное состояние 2+ вызвано комбинацией электромагнитного и ядерного взаимодействий между потоком ядер и мишенью. С помощью компьютерной модели ученые разделили вклады ядерных и электромагнитных сил, рассчитали величину деформации ядер и вероятность нужного гамма-перехода.
Эти вероятности напрямую связаны с волновыми функциями ядер. По сравнению с энергиями возбуждения они сильнее зависят от того, как влияют на волновые функции количества нейтронов и протонов.
Чтобы убедиться в правильности проведенного анализа, физики сравнили новые значения со значениями из предыдущих исследований для 70Se и 70Br, а также для нескольких близких ядер. Для 70Kr такие измерения проводились впервые.
Ожидалось линейное уменьшение значений изовекторных матричных элементов от 70Se к 70Kr. Но полученное значение для криптона серьезно отклонилось от линейной аппроксимации. Величина отклонения составила 3σ — это значит, что его нельзя объяснить случайными флуктуациями.
В отклонение от линейного тренда вносит свой вклад смешивание состояний с изоспинами 0 и 1. Но одно только смешивание не могло вызвать наблюдаемые изменения в вероятностях переходов. Возможным объяснением может служить деформация 70Kr относительно его зеркального ядра 70Se. Существующие теоретические расчеты, даже учитывающие легкую деформацию, не могут описать полученные значения вероятностей и сильное их увеличение для 70Kr. Необходимо создание новой теоретической модели.
Изучение нарушения различных симметрий — область интереса многих исследователей. Например, недавно физики вычислили вероятность распада парапозитрония с нарушением зарядовой четности и разработали способ регистрации нарушения пространственной четности в молекулах.
Екатерина Назарова
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».