Физики нашли способ обнаружить нарушение четности в молекулах

Физики нашли способ обнаружить нарушение четности в молекулах

Ученые разработали метод, который позволит регистрировать эффекты нарушения пространственной четности в молекулах. Теоретические вычисления и симуляция эксперимента показали, что для таких измерений достаточно чувствительности существующих приборов. Работа опубликована в журнале Physical Review Research.

Согласно современным представлениям, три из четырех фундаментальных взаимодействий обладают пространственной симметрией — уравнения, которые описывают систему под действием соответствующих сил, не меняются при замене знаков всех пространственных координат на противоположные. Иными словами, если в первом опыте следить за отражением реальной системы в зеркале, а во втором — по-настоящему отобразить положение всех ее частей и следить за новой системой, то результаты наблюдений не будут отличаться. Такому виду симметрии соответствует закон сохранения особой величины — пространственной четности.

В то же время четвертое — слабое взаимодействие — обладает противоположным свойством: реальная отображенная система под действием слабых сил развивается не так, как это делает отражение исходной системы — то есть четность не сохраняется. Для понимания механизмов, которые лежат в основе таких явлений, необходимы экспериментальные данные — они позволяют проверять теоретические предсказания и строить новые модели. В частности, большой интерес представляют эффекты нарушения четности в молекулах — крупных (в сравнении с характерным радиусом действия слабых сил) системах, которые часто обладают сложным набором энергетических состояний. Физики уже разработали теоретическое описание подобных явлений, однако зарегистрировать нарушение четности на молекулярном уровне в эксперименте до сих пор не удалось.

Физики из Германии, США и России под руководством Джона Бланчарда (John Blanchard) из германского Центра по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца проанализировали одно из возможных проявлений нарушения четности в молекулах и предложили свой способ регистрации этого эффекта. В рассмотренном сценарии пространственная асимметрия влияет на взаимодействие между парой атомных ядер, которое вызвано взаимной ориентацией их спинов. Последние, в свою очередь, связаны с магнитными свойствами вещества — благодаря этому можно зарегистрировать искомый эффект по характерным для него изменениям магнитного поля.

Исходя из теоретических соображений, ученые определили, как меняется ориентация двух спинов под влиянием переменного электрического поля. Затем авторы провели компьютерную симуляцию для соединения 1H19F, предполагая, что в области действия такого поля находится поляризованный образец (с искусственно созданной упорядоченностью в ориентации магнитных моментов ядер) вещества.

Оказалось, что в определенном диапазоне частот внешнего поля спины ядер в образце выстраиваются так, что он начинает генерировать слабое магнитное поле. Это обусловлено сразу двумя процессами, только один из которых связан с нарушением четности. При этом компонента возникающего магнитного поля, которая соответствует механизму с нарушением четности, в сто тысяч раз слабее компоненты, вызванной другим явлением (10–16 против 10–11 Тесла). Это обстоятельство в реальном эксперименте могло бы привести к тому, что измеряемое магнитное возмущение станет незаметно на фоне побочного, однако авторы нашли способ избежать такой проблемы. Они установили, что искомый сигнал меняется с фазой колебаний электрического поля — если поменять направление последнего, то изменится и направление слабой компоненты магнитного поля, тогда как сильная компонента останется прежней. Таким образом, повторный эксперимент с противоположным направлением электрического поля позволяет эффективно отделить слабый сигнал от помех.

В результате вычислений исследователи установили, что для регистрации эффектов нарушения четности достаточно доступной сегодня чувствительности магнитометров. Необходимая продолжительность такого эксперимента составляет несколько часов — за это время уровень накопленного сигнала должен превзойти уровень шума, что позволит засвидетельствовать обнаружение эффекта. Кроме того, предложенная методика применима не только к двухатомным молекулам наподобие 1H19F — тот же подход можно использовать и для изучения более сложных соединений. Вместе с этим, авторы предупреждают, что в ходе реального опыта необходимо будет учитывать возможность появления многих систематических ошибок, которые связаны с начальной намагниченностью образца, регулировкой частоты электрического поля и выбором направления, вдоль которого измеряется магнитное поле.

На сегодняшний день физики активно занимаются поиском и других нестандартных эффектов в системах атомов. Только за последний месяц мы рассказывали о реализации еще двух подобных экспериментов: ученым удалось создать контролируемую квантовую запутанность между атомом и молекулой и провести лазерную спектроскопию короткоживущего радиоактивного соединения.

Самые свежие новости медицины на нашей странице в Вконтакте

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>