I ricercatori del MIT e altrove hanno combinato la potenza di un super collisore con tecniche di spettroscopia laser per misurare con precisione una molecola radioattiva di breve durata, monofluoruro di radio, per la prima volta.

Gli studi di precisione delle molecole radioattive aprono possibilità agli scienziati di cercare nuova fisica oltre il modello standard, come fenomeni che violano certe simmetrie fondamentali in natura, e per cercare segni di materia oscura. La tecnica sperimentale del team potrebbe essere utilizzata anche per eseguire studi di laboratorio su molecole radioattive prodotte in processi astrofisici.

"I nostri risultati aprono la strada a studi di alta precisione su molecole radioattive di breve durata, che potrebbe offrire un nuovo e unico laboratorio per la ricerca nella fisica fondamentale e in altri campi, " dice l'autore principale dello studio, Ronald Fernando Garcia Ruiz, assistente professore di fisica al MIT.

I colleghi di Garcia Ruiz includono Alex Brinson, uno studente laureato del MIT, insieme a un team internazionale di ricercatori che lavorano al CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, a Ginevra. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Natura .

Tempo di inversione

La molecola più semplice è costituita da due atomi, ciascuno con un nucleo composto da un certo numero di protoni e neutroni che rendono un atomo più pesante dell'altro. Ogni nucleo è circondato da una nuvola di elettroni. In presenza di un campo elettrico, questi elettroni possono essere ridistribuiti per creare un campo elettrico estremamente ampio all'interno della molecola.

I fisici hanno usato le molecole ei loro campi elettrici come laboratori in miniatura per studiare le proprietà fondamentali degli elettroni e di altre particelle subatomiche. Ad esempio, quando un elettrone legato interagisce con il campo elettrico della molecola, la sua energia può cambiare di conseguenza, che gli scienziati possono misurare per dedurre le proprietà dell'elettrone, come il suo momento di dipolo elettrostatico, che fornisce una misura della sua deviazione da una forma sferica.

Secondo il Modello Standard della fisica delle particelle, le particelle elementari dovrebbero essere approssimativamente sferiche, o avere un momento di dipolo elettrostatico trascurabile. Se, però, esiste un momento di dipolo elettrico permanente di una particella o di un sistema, ciò implicherebbe che certi processi in natura non sono così simmetrici come avevano supposto i fisici.

Ad esempio, i fisici credono che la maggior parte delle leggi fondamentali della fisica dovrebbero rimanere invariate con la direzione del tempo, un principio noto come simmetria di inversione del tempo. Questo è, indipendentemente dal fatto che il tempo scorra avanti o indietro, gravità, Per esempio, dovrebbe far cadere una palla da un dirupo, o tornare indietro, lungo lo stesso percorso in velocità e spazio. Se, però, un elettrone non è perfettamente sferico, ciò indicherebbe che la simmetria di inversione temporale è violata. Questa violazione fornirebbe una condizione necessaria per spiegare perché c'è più materia che antimateria nel nostro universo.

Studiando le interazioni di un elettrone con campi elettrici molto forti, gli scienziati potrebbero avere la possibilità di misurare con precisione i loro momenti di dipolo elettrico. In alcune molecole, più pesanti sono i loro atomi, più forte è il loro campo elettrico interno. Le molecole radioattive, quelle che contengono almeno un nucleo instabile, possono essere adattate per massimizzare i loro campi elettrici interni. Inoltre, nuclei radioattivi pesanti possono avere forme a pera, che possono amplificare le loro proprietà di violazione della simmetria.

A causa dei loro campi elettrici elevati e delle forme nucleari uniche, le molecole radioattive costituirebbero dei laboratori naturali in cui sondare non solo la struttura dell'elettrone, ma anche proprietà nucleari che violano la simmetria. Ma queste molecole sono di breve durata, e gli scienziati non sono stati in grado di individuarli.

"Queste molecole radioattive sono molto rare in natura e alcune di esse non possono essere trovate nel nostro pianeta, ma può essere abbondante in processi astrofisici come esplosioni stellari, o fusioni di stelle di neutroni, " Dice Garcia Ruiz. "Quindi dobbiamo farli artificialmente, e le sfide principali sono state che possono essere prodotti solo in piccole quantità ad alte temperature, e può essere di breve durata."

Un ago nel buio

Il team ha cercato un modo per produrre il monofluoruro di radio, o RaF, una molecola radioattiva che contiene una sostanza molto pesante, atomo di radio instabile, e un atomo di fluoro. Questa molecola è di particolare interesse perché alcuni isotopi del nucleo del radio sono a loro volta asimmetrici, simile a una pera, con più massa su un'estremità del nucleo rispetto all'altra.

Cosa c'è di più, i teorici avevano previsto che la struttura energetica del monofluoruro di radio avrebbe reso la molecola suscettibile di raffreddamento laser, una tecnica che utilizza i laser per abbassare la temperatura delle molecole, e rallentarli quanto basta per eseguire studi di precisione. Mentre la maggior parte delle molecole ha molti stati energetici che possono occupare, con un gran numero di stati vibrazionali e rotazionali, si scopre che il monofluoruro di radio favorisce le transizioni elettroniche tra alcuni livelli energetici principali:una molecola insolitamente semplice da controllare, utilizzando il raffreddamento laser.

Il team è stato in grado di misurare le molecole di RaF producendo prima piccole quantità della molecola utilizzando l'Isotope mass Separator On-Line del CERN, o la struttura ISOLDE al CERN, che hanno poi manipolato e studiato con i laser usando l'esperimento Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS).

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno utilizzato il Proton Synchrotron Booster del CERN, una serie di anelli che riceve protoni da un acceleratore di particelle e accelera i protoni. La squadra ha sparato questi protoni su un bersaglio fatto di carburo di uranio, a energie così elevate che l'assalto ha distrutto l'uranio, producendo una pioggia di protoni e neutroni che si mescolavano per formare un mix di nuclei radioattivi, compreso il radio.

I ricercatori hanno quindi iniettato un gas di tetrafluoruro di carbonio, che ha reagito con il radio per caricarsi, o molecole ioniche di monofluoruro di radio, che hanno separato dal resto dei sottoprodotti dell'uranio attraverso un sistema di magneti separatori di massa. Hanno quindi bloccato le molecole in una trappola ionica e le hanno circondate con gas elio, che ha raffreddato le molecole abbastanza da permettere ai ricercatori di misurarle.

Prossimo, il team ha misurato le molecole riaccelerando e facendole passare attraverso la configurazione CRIS, dove le molecole ioniche interagivano con gli atomi di sodio che davano un elettrone a ciascuna molecola per neutralizzare il fascio di molecole in volo. Le molecole neutre hanno poi continuato attraverso una regione di interazione, dove i ricercatori hanno anche illuminato due raggi laser:uno rosso, l'altro blu.

La squadra ha sintonizzato su e giù la frequenza del laser rosso, e ha scoperto che a determinate lunghezze d'onda il laser risuonava con le molecole, eccitando un elettrone nella molecola ad un altro livello di energia, tale che il laser blu aveva quindi energia sufficiente per rimuovere l'elettrone dalla molecola. Le molecole eccitate in modo risonante, reso di nuovo ionico, sono stati deviati e raccolti su un rivelatore di particelle, permettendo ai ricercatori di misurare, per la prima volta, i loro livelli di energia, e le proprietà molecolari associate che dimostrano che la struttura di queste molecole è effettivamente favorevole al raffreddamento laser.

"Prima delle nostre misurazioni, tutti i livelli energetici di queste molecole erano sconosciuti, " Dice Garcia Ruiz. "È stato come cercare di trovare un ago in una stanza buia, larghe molte centinaia di metri. Ora che abbiamo trovato l'ago, possiamo misurare le proprietà di quell'ago e iniziare a giocarci".