Onderzoekers van het MIT en elders hebben de kracht van een supercollider gecombineerd met technieken van laserspectroscopie om nauwkeurig een kortlevend radioactief molecuul te meten, radiummonofluoride, Voor de eerste keer.

Precisiestudies van radioactieve moleculen bieden wetenschappers de mogelijkheid om te zoeken naar nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel. zoals verschijnselen die bepaalde fundamentele symmetrieën in de natuur schenden, en om te zoeken naar tekenen van donkere materie. De experimentele techniek van het team kan ook worden gebruikt om laboratoriumstudies uit te voeren van radioactieve moleculen die zijn geproduceerd in astrofysische processen.

"Onze resultaten effenen de weg naar zeer nauwkeurige studies van kortlevende radioactieve moleculen, die een nieuw en uniek laboratorium zou kunnen bieden voor onderzoek op het gebied van fundamentele fysica en andere gebieden, " zegt de hoofdauteur van de studie, Ronald Fernando Garcia Ruiz, assistent-professor natuurkunde aan het MIT.

Garcia Ruiz' collega's zijn onder meer Alex Brinson, een MIT-afgestudeerde student, samen met een internationaal team van onderzoekers die bij CERN werken, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, in Genève. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Omkeren tijd

Het eenvoudigste molecuul is gemaakt van twee atomen, elk met een kern met een bepaald aantal protonen en neutronen die het ene atoom zwaarder maken dan het andere. Elke kern is omgeven door een wolk van elektronen. In aanwezigheid van een elektrisch veld, deze elektronen kunnen worden herverdeeld om een ​​extreem groot elektrisch veld in het molecuul te creëren.

Natuurkundigen hebben moleculen en hun elektrische velden gebruikt als miniatuurlaboratoria om de fundamentele eigenschappen van elektronen en andere subatomaire deeltjes te bestuderen. Bijvoorbeeld, wanneer een gebonden elektron interageert met het elektrische veld van het molecuul, zijn energie kan daardoor veranderen, die wetenschappers kunnen meten om de eigenschappen van het elektron af te leiden, zoals het elektrostatische dipoolmoment, die een meting geeft van de afwijking van een bolvorm.

Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica, elementaire deeltjes moeten ongeveer bolvormig zijn, of een verwaarloosbaar elektrostatisch dipoolmoment hebben. Indien, echter, een permanent elektrisch dipoolmoment van een deeltje of systeem bestaat, dit zou betekenen dat bepaalde processen in de natuur niet zo symmetrisch zijn als natuurkundigen hadden aangenomen.

Bijvoorbeeld, natuurkundigen zijn van mening dat de meeste fundamentele natuurwetten onveranderd moeten blijven met de richting van de tijd - een principe dat bekend staat als tijdomkeersymmetrie. Dat is, ongeacht of de tijd vooruit of achteruit loopt, zwaartekracht, bijvoorbeeld, moet ervoor zorgen dat een bal van een klif valt, of terugrollen, langs hetzelfde pad in snelheid en ruimte. Indien, echter, een elektron is niet perfect bolvormig, dit zou erop duiden dat de tijdomkeringssymmetrie wordt geschonden. Deze schending zou een hoognodige voorwaarde zijn om te verklaren waarom er meer materie dan antimaterie in ons universum is.

Door de interacties van een elektron met zeer sterke elektrische velden te bestuderen, wetenschappers hebben misschien een kans om hun elektrische dipoolmomenten nauwkeurig te meten. In bepaalde moleculen hoe zwaarder hun atomen, hoe sterker hun interne elektrische veld. Radioactieve moleculen, die ten minste één onstabiele kern bevatten, kunnen worden aangepast om hun interne elektrische velden te maximaliseren. Bovendien, zware radioactieve kernen kunnen peerachtige vormen hebben, die hun symmetrie-schendende eigenschappen kunnen versterken.

Vanwege hun hoge elektrische velden en unieke nucleaire vormen, radioactieve moleculen zouden natuurlijke laboratoria vormen om niet alleen de structuur van het elektron te onderzoeken, maar ook symmetrie-schendende nucleaire eigenschappen. Maar deze moleculen zijn van korte duur, en wetenschappers zijn er niet in geslaagd ze vast te pinnen.

"Deze radioactieve moleculen zijn zeer zeldzaam in de natuur en sommige kunnen niet op onze planeet worden gevonden, maar kan overvloedig voorkomen in astrofysische processen zoals stellaire explosies, of neutronensterfusies, " zegt Garcia Ruiz. "Dus we moeten ze kunstmatig maken, en de belangrijkste uitdagingen waren dat ze alleen in kleine hoeveelheden bij hoge temperaturen kunnen worden geproduceerd, en kan van zeer korte duur zijn."

Een naald in het donker

Het team zocht naar een manier om radiummonofluoride te maken, of RaF—een radioactief molecuul dat een zeer zware, onstabiel radiumatoom, en een fluorideatoom. Dit molecuul is van bijzonder belang omdat bepaalde isotopen van de radiumkern zelf asymmetrisch zijn, lijkt op een peer, met meer massa aan het ene uiteinde van de kern dan aan het andere.

Bovendien, theoretici hadden voorspeld dat de energiestructuur van radiummonofluoride het molecuul vatbaar zou maken voor laserkoeling, een techniek die lasers gebruikt om de temperatuur van moleculen te verlagen, en vertragen ze voldoende om precisiestudies uit te voeren. Hoewel de meeste moleculen veel energietoestanden hebben die ze kunnen bezetten, met grote aantallen trillings- en rotatietoestanden, het blijkt dat radiummonofluoride de voorkeur geeft aan elektronische overgangen tussen een paar belangrijke energieniveaus - een ongewoon eenvoudig te controleren molecuul, met behulp van laserkoeling.

Het team was in staat om RaF-moleculen te meten door eerst kleine hoeveelheden van het molecuul te maken met behulp van CERN's Isotope mass Separator On-Line, of ISOLDE-faciliteit bij CERN, die ze vervolgens manipuleerden en bestudeerden met lasers met behulp van het Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS) -experiment.

In hun experiment hebben de onderzoekers gebruikten CERN's Proton Synchrotron Booster, een reeks ringen die protonen ontvangt van een deeltjesversneller en de protonen versnelt. Het team vuurde deze protonen af ​​op een doel gemaakt van uraniumcarbide, met zulke hoge energieën dat de aanval uranium vernietigde, het produceren van een regen van protonen en neutronen die zich vermengden om een ​​mix van radioactieve kernen te vormen, inclusief radium.

De onderzoekers injecteerden vervolgens een gas van koolstoftetrafluoride, die reageerde met radium om geladen te maken, of ionische moleculen van radiummonofluoride, die ze scheidden van de rest van de bijproducten van uranium door een systeem van massascheidende magneten. Ze klemden de moleculen vervolgens vast in een ionenval en omringden ze met heliumgas, die de moleculen voldoende afkoelde zodat de onderzoekers ze konden meten.

Volgende, het team heeft de moleculen gemeten door ze opnieuw te versnellen en door de CRIS-opstelling te leiden, waar de ionische moleculen een interactie aangingen met natriumatomen die een elektron aan elk molecuul gaven om de straal moleculen tijdens de vlucht te neutraliseren. De neutrale moleculen gingen vervolgens verder door een interactiegebied, waar de onderzoekers ook twee laserstralen schenen - een rode, de andere blauw.

Het team stemde de frequentie van de rode laser op en neer, en ontdekte dat bij bepaalde golflengten de laser resoneerde met de moleculen, het opwekken van een elektron in het molecuul naar een ander energieniveau, zodat de blauwe laser dan genoeg energie had om het elektron uit het molecuul te verwijderen. De resonant opgewonden moleculen, weer ionisch gemaakt, werden afgebogen en verzameld op een deeltjesdetector, zodat de onderzoekers kunnen meten, Voor de eerste keer, hun energieniveau, en de bijbehorende moleculaire eigenschappen die aantonen dat de structuur van deze moleculen inderdaad gunstig is voor laserkoeling.

"Voorafgaand aan onze metingen, alle energieniveaus van deze moleculen waren onbekend, "zegt Garcia Ruiz. "Dit was als het zoeken naar een naald in een donkere kamer, vele honderden meters breed. Nu we de naald hebben gevonden, we kunnen de eigenschappen van die naald meten en ermee gaan spelen."