Атомное ядро — не просто шарик из протонов и нейтронов. Внутри него, как в крошечном магните, есть своё распределение намагниченности. До сих пор его было трудно разглядеть: ядра живут ничтожные доли секунды, а их магнитное поле слабое. Теперь физики из ЦЕРНа нашли способ заглянуть внутрь.
Они взяли короткоживущий изотоп калий-47 и поместили его в сильное магнитное поле. Ядро, как стрелка компаса, стало вращаться вокруг направления поля — это называется ларморовской прецессией. Частоту этого вращения измерили с точностью до миллионной доли. По крошечным отклонениям частоты от расчётной удалось понять, как именно намагниченность распределена внутри ядра: какая часть создаётся спинами (собственным вращением частиц), а какая — их орбитальным движением.
Сравнение с теорией принесло неожиданность: расчёты переоценивают вклад спина. Даже с учётом сложных эффектов взаимодействия частиц теория не сходится с экспериментом. Зато когда учёные взяли пространственную форму намагниченности из другой теории, всё совпало. Значит, дело не в общем количестве магнетизма, а в том, как он «размазан» по ядру.
Новый метод — это окно в сердце атома. Он поможет проверять теории строения ядра и искать следы новых частиц, которые могут влиять на магнитные свойства атомов. Маленькое ядро калия стало пробным камнем для большой физики.
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.20090
To date, the magnetic structure of nuclei has been poorly constrained, with limited information on its spatial distribution. In this work, we address the composition and distribution of nuclear magnetization in a precision study of short-lived $$^{47}$$K. We measure the Larmor frequency with part-per-million precision using liquid-state $$\beta$$-detected nuclear magnetic resonance at CERN-ISOLDE, improving determination of the experimental differential hyperfine anomaly relative to $$^{39}$$K by more than an order of magnitude. By combining these experimental results with relativistic all-orders atomic calculations and nuclear density functional theory, we obtain the relative spin and orbital contributions to the nuclear magnetic moments. Our analysis reveals an overestimation of the spin contribution predicted by nuclear theory, that persists even after considering two-body currents. Conversely, we show that the measured hyperfine anomaly is reproduced when adopting the spatial distribution of nuclear magnetization provided by density functional theory. The methodology introduced in this work establishes a means to probe the detailed magnetic structure of the nucleus. This is critical for benchmarking nuclear structure theory and calculations of symmetry-violating nuclear moments relevant to searches for physics beyond the Standard Model in atoms and molecules.
Ядро калия-47 живёт всего 17 секунд, но за это время успевает рассказать о своей магнитной структуре.