Stel je een stofdeeltje voor in een onweerswolk, en je kunt een idee krijgen van de onbeduidendheid van een neutron in vergelijking met de grootte van het molecuul dat het bewoont.

Maar net zoals een stofdeeltje het spoor van een wolk kan beïnvloeden, een neutron kan de energie van zijn molecuul beïnvloeden, ondanks dat het minder dan een miljoenste van zijn grootte is. En nu hebben natuurkundigen van het MIT en elders met succes het kleine effect van een neutron in een radioactief molecuul gemeten.

Het team heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om kortlevende radioactieve moleculen te produceren en te bestuderen met neutronengetallen die ze nauwkeurig kunnen controleren. Ze selecteerden met de hand verschillende isotopen van hetzelfde molecuul, elk met het ene neutron meer dan het andere. Toen ze de energie van elk molecuul maten, ze waren in staat om kleine, bijna onmerkbare veranderingen van de nucleaire grootte, door het effect van een enkel neutron.

Het feit dat ze zulke kleine nucleaire effecten konden zien, suggereert dat wetenschappers nu de kans hebben om zulke radioactieve moleculen te doorzoeken op nog subtielere effecten, veroorzaakt door donkere materie, bijvoorbeeld, of door de effecten van nieuwe bronnen van symmetrieschendingen die verband houden met enkele van de huidige mysteries van het universum.

"Als de wetten van de fysica symmetrisch zijn zoals we denken dat ze zijn, dan had de oerknal evenveel materie als antimaterie moeten creëren. Het feit dat het meeste van wat we zien materie is, en er is slechts ongeveer één deel per miljard antimaterie, betekent dat er een schending is van de meest fundamentele symmetrieën van de natuurkunde, op een manier die we niet kunnen verklaren met alles wat we weten, " zegt Ronald Fernando Garcia Ruiz, assistent-professor natuurkunde aan het MIT.

"Nu hebben we een kans om deze symmetrieschendingen te meten, met behulp van deze zware radioactieve moleculen, die extreem gevoelig zijn voor nucleaire verschijnselen die we niet kunnen zien in andere moleculen in de natuur, " zegt hij. "Dat zou antwoorden kunnen geven op een van de belangrijkste mysteries van hoe het universum is ontstaan."

Ruiz en zijn collega's hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Een bijzondere asymmetrie

De meeste atomen in de natuur herbergen een symmetrische, bolvormige kern, met neutronen en protonen gelijkmatig verdeeld over. Maar in bepaalde radioactieve elementen zoals radium, atoomkernen zijn vreemd peervormig, met een ongelijke verdeling van neutronen en protonen binnenin. Natuurkundigen veronderstellen dat deze vormvervorming de schending van symmetrieën die de oorsprong van de materie in het universum hebben gegeven, kan versterken.

"Met radioactieve kernen kunnen we deze symmetrie-schendende effecten gemakkelijk zien, " zegt hoofdauteur Silviu-Marian Udrescu, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Physics. "Het nadeel is, ze zijn erg onstabiel en leven voor een zeer korte tijd, dus we hebben gevoelige methoden nodig om ze te produceren en op te sporen, snel."

In plaats van zelf te proberen radioactieve kernen vast te pinnen, het team plaatste ze in een molecuul dat de gevoeligheid voor symmetrieschendingen verder versterkt. Radioactieve moleculen bestaan ​​uit minstens één radioactief atoom, gebonden aan een of meer andere atomen. Elk atoom is omgeven door een wolk van elektronen die samen een extreem hoog elektrisch veld genereren in het molecuul dat volgens natuurkundigen subtiele nucleaire effecten zou kunnen versterken. zoals effecten van symmetrieschending.

Echter, afgezien van bepaalde astrofysische processen, zoals het samensmelten van neutronensterren, en stellaire explosies, de radioactieve moleculen van belang bestaan ​​niet in de natuur en moeten daarom kunstmatig worden gecreëerd. Garcia Ruiz en zijn collega's hebben technieken verfijnd om radioactieve moleculen in het laboratorium te maken en hun eigenschappen nauwkeurig te bestuderen. Vorig jaar, ze rapporteerden over een methode om moleculen van radiummonofluoride te produceren, of RaF, een radioactief molecuul dat één onstabiel radiumatoom en een fluorideatoom bevat.

In hun nieuwe studie het team gebruikte vergelijkbare technieken om RaF-isotopen te produceren, of versies van het radioactieve molecuul met verschillende aantallen neutronen. Zoals ze in hun vorige experiment deden, de onderzoekers gebruikten de Isotoop-massascheider On-Line, of ISOLDE, faciliteit bij CERN, in Genève, Zwitserland, om kleine hoeveelheden RaF-isotopen te produceren.

De faciliteit herbergt een energiezuinige protonenbundel, die het team op een doelwit richtte - een schijf van uraniumcarbide ter grootte van een halve dollar, waarop ze ook een koolstoffluoridegas injecteerden. De daaruit voortvloeiende chemische reacties produceerden een dierentuin van moleculen, inclusief RaF, die het team scheidde met behulp van een nauwkeurig lasersysteem, elektromagnetische velden, en ionenvallen.

De onderzoekers maten de massa van elk molecuul om het aantal neutronen in de radiumkern van een molecuul te schatten. Vervolgens sorteerden ze de moleculen op isotopen, volgens hun aantal neutronen.

Uiteindelijk, ze sorteerden trossen van vijf verschillende isotopen van RaF, elk met meer neutronen dan de volgende. Met een apart systeem van lasers, het team heeft de kwantumniveaus van elk molecuul gemeten.

"Stel je een molecuul voor dat vibreert als twee ballen op een veer, met een bepaalde hoeveelheid energie, " legt Udrescu uit, die een afgestudeerde student is van MIT's Laboratory for Nuclear Science. "Als je het aantal neutronen in een van deze ballen verandert, de hoeveelheid energie kan veranderen. Maar één neutron is 10 miljoen keer kleiner dan een molecuul, en met onze huidige precisie hadden we niet verwacht dat het veranderen van een energieverschil zou creëren, maar het deed. En dat effect hebben we duidelijk kunnen zien."

Udrescu vergelijkt de gevoeligheid van de metingen met het kunnen zien hoe de Mount Everest, geplaatst op het oppervlak van de zon, kon, echter minutieus, verander de straal van de zon. Ter vergelijking, het zien van bepaalde effecten van symmetrieschending zou hetzelfde zijn als zien hoe de breedte van een enkele mensenhaar de straal van de zon zou veranderen.

De resultaten tonen aan dat radioactieve moleculen zoals RaF ultragevoelig zijn voor nucleaire effecten en dat hun gevoeligheid waarschijnlijk subtielere, nooit eerder vertoonde effecten, zoals minuscule symmetrie-schendende nucleaire eigenschappen, dat zou kunnen helpen om de materie-antimaterie-asymmetrie van het universum te verklaren.

"Deze zeer zware radioactieve moleculen zijn speciaal en gevoelig voor nucleaire verschijnselen die we niet kunnen zien in andere moleculen in de natuur, ", zegt Udrescu. "Dit laat zien dat, wanneer we beginnen te zoeken naar symmetrie-schendende effecten, we hebben een grote kans om ze in deze moleculen te zien."