Gli scienziati hanno a lungo cercato di dimostrare sperimentalmente una certa proprietà di simmetria dell'interazione debole - violazione della parità - nelle molecole. Finora, questo non è stato possibile. Un nuovo sforzo interdisciplinare guidato da un gruppo di ricerca presso il PRISMA+ Cluster of Excellence presso la Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e l'Helmholtz Institute Mainz (HIM) ha ora mostrato un percorso realistico per dimostrare questo fenomeno. L'approccio include aspetti del nucleare, particella elementare, fisica atomica e molecolare e risonanza magnetica nucleare (NMR). "Non conservazione della parità molecolare negli accoppiamenti di spin nucleari" è pubblicato nell'ultimo numero della rivista Physical Review Research.

Le simmetrie sono onnipresenti, nello spazio come nel mondo delle molecole, atomi e particelle elementari. Le quattro forze fondamentali (elettromagnetismo, gravità, e le forze nucleari forti e deboli) obbediscono anche a certe, forse apparentemente astratto, simmetrie. Dal Big Bang ai giorni nostri, le simmetrie esistenti sono state ripetutamente rotte. La simmetria e la rottura della simmetria si riflettono necessariamente nei processi e negli stati fisici che possiamo osservare.

Una di queste simmetrie è la simmetria speculare (simmetria rispetto alla riflessione nello spazio):se è rotta, i ricercatori parlano di violazione della parità. Secondo le attuali conoscenze, l'interazione debole è l'unica tra le quattro forze fondamentali che non appare speculare:solo nei processi soggetti a questa interazione si verificano violazioni di parità. "Poiché l'interazione debole non ha quasi alcun ruolo nella nostra esperienza quotidiana - la gravità e l'elettromagnetismo dominano qui - il fenomeno della violazione della parità contraddice la nostra idea normale ed è quindi difficile da afferrare, "dice il dottor John Blanchard, autore principale dello studio. "La violazione della parità nell'interazione debole è stata quindi prevista solo teoricamente negli anni '50 ed è stata scoperta poco dopo in alcuni decadimenti di particelle nucleari ed elementari. I processi di violazione della parità non sono mai stati rilevati nelle molecole, sebbene i calcoli teorici prevedano che dovrebbero esserci. La prova definitiva di tali effetti sottili è, per così dire, un santo graal della fisica della misurazione di precisione."

Sono stati fatti molti tentativi per osservare sperimentalmente gli effetti della violazione della parità nelle molecole. Un esempio è l'interazione degli spin di diversi nuclei atomici in una molecola. A sua volta, questi possono in linea di principio essere rilevati e analizzati utilizzando metodi di risonanza magnetica nucleare (NMR). Mentre il team di scienziati ha già sviluppato un approccio promettente alle molecole chirali in un lavoro precedente (doi.org/10.1103/PhysRevA.96.042119), la loro pubblicazione attuale si concentra su molecole semplici che consistono di appena due atomi. Prima di tutto, identificano una speciale variabile di misura NMR (uno specifico accoppiamento spin-spin) sulla base della quale viene mostrata la violazione di parità ed effettuano complesse analisi teoriche per calcolare l'effetto atteso all'interno della molecola. Questi calcoli sono stati effettuati in stretta collaborazione con il coautore dello studio, Prof. Mikhail G. Kozlov dell'Istituto di fisica nucleare di San Pietroburgo, Russia, con cui il gruppo Mainz collabora con successo da molti anni.

Basandosi su questo, gli scienziati propongono un esperimento speciale che dovrebbe essere abbastanza sensibile da rilevare i segnali calcolati:"Il cosiddetto metodo NMR ZULF (da zero a campo ultrabasso) è una tecnica esotica che stavamo già usando con successo per la materia oscura, " spiega il Prof. Dr. Dmitry Budker, anche autore dello studio. "Offre un sistema in cui gli spin nucleari interagiscono tra loro più che con un campo magnetico esterno. In questo modo, consente la misura diretta di accoppiamenti spin-spin antisimmetrici, che vengono tagliati negli esperimenti NMR ad alto campo convenzionali."

"I nostri risultati mostrano un modo elegante per investigare quantitativamente l'interazione debole nelle molecole e nei nuclei atomici, " conclude il dottor Blanchard. "I risultati del nostro studio di fattibilità sono molto promettenti:speriamo di avere presto una verifica sperimentale della non conservazione della parità molecolare".