Wyobraź sobie cząsteczkę pyłu w chmurze burzowej, a możesz zorientować się, jak nieistotny jest neutron w porównaniu z wielkością cząsteczki, którą on zamieszkuje. Ale tak jak drobinka pyłu może wpływać na tor obłoku, tak neutron może wpływać na energię swojej cząsteczki, mimo że jest mniejszy niż jedna milionowa jego rozmiaru. A teraz fizycy z MIT i innych ośrodków z powodzeniem zmierzyli maleńki efekt neutronu w radioaktywnej cząsteczce. Zespół opracował nową technikę wytwarzania i badania krótkożyciowych molekuł radioaktywnych z liczbą neutronów, którą mogą precyzyjnie kontrolować. Wybrali ręcznie kilka izotopów tej samej cząsteczki, każdy z jednym neutronem więcej niż drugi. Kiedy zmierzyli energię każdej cząsteczki, byli w stanie wykryć małe, prawie niezauważalne zmiany wielkości jądra, spowodowane efektem pojedynczego neutronu. Fakt, że byli w stanie dostrzec tak małe efekty jądrowe, sugeruje, że naukowcy mają teraz szansę przeszukać takie radioaktywne molekuły pod kątem jeszcze subtelniejszych efektów, spowodowanych na przykład przez ciemną materię lub przez skutki nowych źródeł naruszeń symetrii związanych z niektórymi aktualnych tajemnic wszechświata. „Jeśli prawa fizyki są symetryczne, tak jak nam się wydaje, to Wielki Wybuch powinien stworzyć materię i antymaterię w tej samej ilości. Fakt, że większość tego, co widzimy, to materia, a na miliard antymateria oznacza naruszenie najbardziej fundamentalnych symetrii fizyki w sposób, którego nie możemy wyjaśnić wszystkim, co wiemy” – mówi Ronald Fernando Garcia Ruiz, adiunkt fizyki na MIT. „Teraz mamy szansę zmierzyć te naruszenia symetrii, używając ciężkich radioaktywnych cząsteczek, które mają ekstremalną wrażliwość na zjawiska jądrowe, których nie możemy zobaczyć w innych molekułach w naturze” – mówi. „To może dostarczyć odpowiedzi na jedną z głównych tajemnic tego, jak powstał wszechświat”. Ruiz i jego koledzy opublikowali dziś swoje wyniki w Physical Review Letters.
Szczególna asymetria
Większość atomów w przyrodzie posiada symetryczne, kuliste jądro z równomiernie rozmieszczonymi neutronami i protonami. Ale w niektórych pierwiastkach promieniotwórczych, takich jak rad, jądra atomowe mają dziwny kształt gruszki, z nierównomiernym rozkładem neutronów i protonów. Fizycy stawiają hipotezę, że to zniekształcenie kształtu może zwiększyć łamanie symetrii, które dały początek materii we wszechświecie. „Radioaktywne jądra mogą pozwolić nam łatwo dostrzec te naruszające symetrię efekty” – mówi główny autor badania Silviu-Marian Udrescu, doktorant na Wydziale Fizyki MIT. „Wadą jest to, że są bardzo niestabilne i żyją przez bardzo krótki czas, więc potrzebujemy czułych metod, aby je szybko wyprodukować i wykryć”. Zamiast próbować samodzielnie zlokalizować radioaktywne jądra, zespół umieścił je w cząsteczce, która dodatkowo wzmacnia wrażliwość na naruszenia symetrii. Cząsteczki radioaktywne składają się z co najmniej jednego atomu radioaktywnego, związanego z jednym lub większą liczbą innych atomów. Każdy atom jest otoczony chmurą elektronów, które razem generują w cząsteczce niezwykle silne pole elektryczne, które według fizyków może wzmacniać subtelne efekty jądrowe, takie jak skutki naruszenia symetrii. Jednak poza pewnymi procesami astrofizycznymi, takimi jak łączenie się gwiazd neutronowych i eksplozje gwiezdne, interesujące nas radioaktywne molekuły nie istnieją w naturze i dlatego muszą być tworzone sztucznie. Garcia Ruiz i jego koledzy udoskonalali techniki tworzenia radioaktywnych cząsteczek w laboratorium i dokładnego badania ich właściwości. W zeszłym roku poinformowali o metodzie wytwarzania cząsteczek monofluorku radu (RaF), radioaktywnej cząsteczki, która zawiera jeden niestabilny atom radu i atom fluoru. W swoich nowych badaniach zespół wykorzystał podobne techniki do wytworzenia izotopów RaF lub wersji radioaktywnej cząsteczki o różnej liczbie neutronów. Podobnie jak w poprzednim eksperymencie, naukowcy wykorzystali obiekt Isotope mass Separator On-Line (ISOLDE) w ośrodku CERN w Genewie w Szwajcarii do wytworzenia niewielkich ilości izotopów RaF. W obiekcie znajduje się niskoenergetyczna wiązka protonów, którą zespół skierował w stronę celu – dysku z węglika uranu wielkości pół dolara, na który wstrzyknięto również gazowy fluorek węgla. W wyniku reakcji chemicznych powstało zoo cząsteczek, w tym RaF, które zespół oddzielił za pomocą precyzyjnego systemu laserów, pól elektromagnetycznych i pułapek jonowych. Naukowcy zmierzyli masę każdej cząsteczki, aby oszacować liczbę neutronów w jądrze radu cząsteczki. Następnie posortowali cząsteczki według izotopów, zgodnie z ich liczbą neutronów. W końcu wyodrębnili wiązki pięciu różnych izotopów RaF, z których każdy zawiera więcej neutronów niż następny. Dzięki oddzielnemu systemowi laserów zespół zmierzył poziomy kwantowe każdej cząsteczki. „Wyobraźmy sobie cząsteczkę wibrującą jak dwie kulki na sprężynie z pewną ilością energii” – wyjaśnia Udrescu, który jest absolwentem Laboratorium Nauk Jądrowych MIT. „Jeśli zmienisz liczbę neutronów w jednej z tych kul, ilość energii może się zmienić. Ale jeden neutron jest 10 milionów razy mniejszy od cząsteczki i przy naszej obecnej precyzji nie spodziewaliśmy się, że zmiana jednej spowoduje powstanie energii różnica, ale tak się stało. I mogliśmy wyraźnie zobaczyć ten efekt”. Udrescu porównuje czułość pomiarów do możliwości zobaczenia, jak Mount Everest, umieszczony na powierzchni Słońca, może, jakkolwiek drobiazgowo, zmienić promień Słońca. Dla porównania, obserwowanie pewnych skutków naruszenia symetrii przypominałoby obserwowanie, jak szerokość pojedynczego ludzkiego włosa zmieniałaby promień słońca. Wyniki pokazują, że radioaktywne molekuły, takie jak RaF, są ultrawrażliwe na efekty jądrowe i że ich wrażliwość może prawdopodobnie ujawnić bardziej subtelne, nigdy wcześniej nie widziane efekty, takie jak maleńkie właściwości jądrowe naruszające symetrię, które mogą pomóc wyjaśnić materię-antymaterię we Wszechświecie. asymetria. „Te bardzo ciężkie radioaktywne molekuły są wyjątkowe i mają wrażliwość na zjawiska jądrowe, której nie możemy zobaczyć w innych molekułach występujących w naturze” – mówi Udrescu. „To pokazuje, że kiedy zaczynamy szukać efektów naruszających symetrię, mamy dużą szansę zobaczyć je w tych cząsteczkach”. Badania te były częściowo wspierane przez Biuro Fizyki Jądrowej Departamentu Energii USA; Globalne Fundusze Zalążkowe MISTI; Europejska Rada ds. Badań Naukowych; belgijski program badawczy FWO Vlaanderen i BriX IAP; Niemiecka Fundacja Badawcza; UK Science and Technology Facilities Council oraz Ernest Rutherford Fellowship Grant.