Wetenschappers hebben lang geprobeerd om experimenteel een bepaalde symmetrie-eigenschap van de zwakke interactie - pariteitsschending - in moleculen aan te tonen. Tot dusver, dit is niet mogelijk geweest. Een nieuwe interdisciplinaire inspanning onder leiding van een onderzoeksgroep van het PRISMA+ Cluster of Excellence aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) en het Helmholtz Institute Mainz (HIM) heeft nu een realistische weg getoond om dit fenomeen aan te tonen. De aanpak omvat aspecten van nucleaire, elementair deeltje, atomaire en moleculaire fysica en nucleaire magnetische resonantie (NMR). "Molecular parity nonconservation in nucleaire spin-koppelingen" is gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift Physical Review Research.

Symmetrieën zijn alomtegenwoordig, zowel in de ruimte als in de wereld van moleculen, atomen en elementaire deeltjes. De vier fundamentele krachten (elektromagnetisme, zwaartekracht, en de sterke en zwakke kernkrachten) gehoorzamen ook aan bepaalde, misschien schijnbaar abstract, symmetrieën. Van de oerknal tot nu, bestaande symmetrieën werden herhaaldelijk verbroken. Symmetrie en symmetriebreking worden noodzakelijkerwijs weerspiegeld in de fysieke processen en toestanden die we kunnen waarnemen.

Een van deze symmetrieën is de spiegelsymmetrie (symmetrie met betrekking tot reflectie in de ruimte) - als deze wordt verbroken, de onderzoekers spreken van pariteitsschending. Volgens de huidige kennis, de zwakke interactie is de enige van de vier fundamentele krachten die niet spiegelsymmetrisch lijkt:alleen in processen die onderhevig zijn aan deze interactie treden pariteitsschendingen op. "Omdat de zwakke interactie bijna geen rol speelt in onze dagelijkse ervaring - zwaartekracht en elektromagnetisme domineren hier - is het fenomeen van pariteitsschending in tegenspraak met ons normale idee en is daarom moeilijk te vatten, " zegt dr. John Blanchard, hoofdauteur van de studie. "Pariteitsschending in de zwakke interactie werd daarom alleen theoretisch voorspeld in de jaren 1950 en werd kort daarna ontdekt in bepaalde vervalsingen van kern- en elementaire deeltjes. Pariteitsschendende processen zijn nooit gedetecteerd in moleculen, hoewel theoretische berekeningen voorspellen dat ze er zouden moeten zijn. Het definitieve bewijs van dergelijke subtiele effecten is, bij wijze van spreken, een heilige graal van precisie-meetfysica."

Er zijn veel pogingen gedaan om de effecten van pariteitsschending in moleculen experimenteel waar te nemen. Een voorbeeld is de interactie van de spins van verschillende atoomkernen in een molecuul. Beurtelings, deze kunnen in principe worden gedetecteerd en geanalyseerd met behulp van nucleaire magnetische resonantiemethoden (NMR). Hoewel het team van wetenschappers al een veelbelovende benadering van chirale moleculen heeft ontwikkeld in een eerder werk (doi.org/10.1103/PhysRevA.96.042119), hun huidige publicatie richt zich op eenvoudige moleculen die uit slechts twee atomen bestaan. Allereerst, ze identificeren een speciale NMR-meetvariabele (een specifieke spin-spin koppeling) op basis waarvan de pariteitsschending wordt aangetoond en voeren complexe theoretische analyses uit om het verwachte effect binnen het molecuul te berekenen. Deze berekeningen zijn uitgevoerd in nauwe samenwerking met de co-auteur van de studie, Prof. Mikhail G. Kozlov van het Nuclear Physics Institute in St. Petersburg, Rusland, waarmee de Mainz-groep al jaren zeer succesvol samenwerkt.

Hierop voortbouwend, de wetenschappers stellen een speciaal experiment voor dat gevoelig genoeg zou moeten zijn om de berekende signalen te detecteren:"De zogenaamde ZULF (nul tot ultra-laag veld) NMR-methode is een exotische techniek die we al met succes voor donkere materie gebruikten, " legt Prof. Dr. Dmitry Budker uit, ook een auteur van de studie. "Het biedt een systeem waarin kernspins meer met elkaar interageren dan met een extern magnetisch veld. Op deze manier kunnen het maakt de directe meting van antisymmetrische spin-spin koppelingen mogelijk, die worden afgesneden in conventionele high-field NMR-experimenten."

"Onze resultaten tonen een elegante manier om de zwakke interactie in moleculen en atoomkernen kwantitatief te onderzoeken, " concludeert Dr. Blanchard. "De resultaten van onze haalbaarheidsstudie zijn veelbelovend - we hopen binnenkort experimentele verificatie te hebben van niet-behoud van moleculaire pariteit."