Исследователи из Университета Западной Шотландии вместе с коллегами обнаружили, что один из изотопов тория обладает грушевидным ядром с рекордно вытянутой формой. Ядра, подобные торию-228, могут быть использованы для проведения новых исследований, которые позволят разгадать загадку асимметрии распространения материи и антиматерии в нашей Вселенной.

Работа исследователей опубликована в журнале Nature Physics.

Вселенная состоит из элементарных частиц, таких как электроны, являющиеся компонентом каждого атома. Стандартная модель — на сегодняшний день лучшая теория, которая позволяет описать субатомные свойства всей материи во Вселенной. Она предсказывает, что каждая фундаментальная частица может иметь свою античастицу. Совокупность античастиц, которые почти идентичны своим материальным аналогам, за исключением того, что обладают противоположным зарядом, называется антиматерией.

Согласно Стандартной модели, материя и антиматерия должны были появиться в равных количествах во время Большого взрыва. Однако по неизвестной до сих пор причине материя преобладает над своей противоположностью. В теории электрический дипольный момент может позволить материи и антиматерии распадаться с разной скоростью, объясняя наблюдаемую асимметрию.

Авторы нового исследования предположили, что грушевидные ядра атомов будут идеальной физической системой, которая позволит вычислить электрический дипольный момент в такой элементарной частице, как электрон. Грушевидная форма означает, что ядро создает дипольный момент благодаря неравномерному распределению протонов и нейтронов внутри него.

Проведенные эксперименты позволили исследователям обнаружить, что ядра атомов тория-228 имеют наиболее вытянутую форму из всех других наблюдаемых ядер. Этот факт делает ядра тория отличными кандидатами на «детекторы» электрического дипольного момента. Изначально авторы проводили опыты на тории-232, который имеет период полураспада в 14 миллиардов лет. Цепь распада этого ядра включает образование возбужденных квантово-механических состояний ядра тория-228. Такие состояния распадаются в течение нескольких наносекунд после их возникновения, испуская при этом гамма-лучи.

Физики использовали высокочувствительные современные сцинтилляторные детекторы, чтобы обнаружить эти очень редкие и быстрые события распада. Благодаря тщательной настройке детекторов и электроники обработки сигналов исследовательская группа смогла точно измерить время жизни возбужденных квантовых состояний с точностью до двух триллионных долей секунды. Чем короче время жизни квантового состояния, тем более выраженной оказалась грушевидная форма ядра тория-228. Это, в свою очередь, увеличивает шанс физиков на нахождение электрического дипольного момента.