Una rappresentazione artistica della struttura dello ione radio monometossido, o RaOCH 3 + , utilizzato nel nuovo studio. L'asimmetrico, o a forma di pera, il nucleo di radio è evidenziato in alto. Credito:California Institute of Technology
Stelle, galassie, e tutto nell'universo, compresi i nostri corpi, sono costituiti dalla cosiddetta materia regolare. La materia regolare include atomi e molecole, che sono costituiti da minuscole particelle, come gli elettroni, protoni, e neutroni. Queste particelle dominano il nostro universo, superando di gran lunga le loro controparti meno conosciute:le particelle di antimateria. Scoperto sperimentalmente per la prima volta nel 1932 dal compianto premio Nobel e professore di lunga data del Caltech Carl Anderson, le particelle di antimateria hanno cariche opposte alle loro controparti di materia. La particella di antimateria all'elettrone caricato negativamente, Per esempio, è il positrone caricato positivamente.
Come ha fatto la materia a mettere in ombra l'antimateria? Gli scienziati credono che qualcosa sia accaduto all'inizio della storia del nostro cosmo per ribaltare l'equilibrio delle particelle verso la materia, facendo scomparire in gran parte l'antimateria. Come ciò sia avvenuto è ancora un mistero.
In un nuovo studio sulla rivista Lettere di revisione fisica , Nick Hutzler, assistente professore di fisica al Caltech, e il suo studente laureato Phelan Yu, proporre un nuovo strumento da tavolo per la ricerca di risposte all'enigma dell'antimateria. Come altri fisici che studiano il problema, l'idea principale dei ricercatori è quella di cercare asimmetrie nel modo in cui la materia normale interagisce con i campi elettromagnetici. Ciò è correlato a un tipo di simmetria comunemente osservata nelle particelle chiamata parità di carica, o CP. Qualsiasi deviazione dalla prevista simmetria CP potrebbe spiegare come la materia alla fine abbia eliminato l'antimateria nel nostro universo.
Hutzler e i suoi colleghi hanno teoricamente elaborato un nuovo modo per sondare queste violazioni di simmetria utilizzando una molecola radioattiva chiamata ione monometossido di radio, o RaOCH 3 + . I loro partner alla UC Santa Barbara, guidato da Andrew Jayich, quindi ha creato queste molecole per la prima volta e ha pubblicato i risultati in un articolo associato in Lettere di revisione fisica .
Gli studi congiunti dimostrano che le molecole radioattive hanno il potenziale per essere sonde ancora più sensibili delle simmetrie delle particelle fondamentali rispetto agli atomi non radioattivi comunemente usati oggi.
"Il metodo all'avanguardia per questo tipo di studio utilizza atomi, " spiega Hutzler. "Ma le molecole possono essere sonde ancora migliori perché hanno un'asimmetria incorporata. Sono bitorzoluti e sbilenchi per cominciare. Il nucleo di radio è ancora più grumoso poiché ha una distribuzione di carica molto irregolare, e anche questo aiuta. Il risultato è un 100, 000 a 1, 000, 000 maggiore amplificazione delle violazioni di simmetria, se sono presenti, rispetto a quello che è stato lo stato dell'arte”.
Per cercare violazioni di simmetria nelle particelle, i ricercatori generalmente osservano come si comportano le particelle nei campi elettrici. Cercano comportamenti anomali che infrangono le regole di simmetria conosciute; ad esempio, i fisici hanno previsto che le violazioni della simmetria potrebbero causare la precessione di un elettrone, o vacillare come una trottola, in un campo elettrico. Le molecole hanno campi elettromagnetici al loro interno, per la loro natura asimmetrica, quindi sono obiettivi ideali per questo tipo di lavoro.
Hutzler dice che aveva pensato di usare molecole a base di radio per questo scopo prima, anche definendosi un "fanboy del radio, " ma ha spiegato che l'isotopo di cui hanno bisogno è estremamente radioattivo con un'emivita di due settimane (metà di un pezzo di radio decadrà in altri nuclei in sole due settimane).
"Questo isotopo del radio è molto radioattivo e molto scarso, che rende difficile lavorare con esso, " spiega Hutzler. "Ma le proprietà uniche del RaOCH 3 + molecola superare molte di queste sfide, e, quando combinato con la tecnica sperimentale dimostrata all'UC Santa Barbara, consentirà moderne, quantistico, metodi altamente sensibili per cercare queste violazioni di simmetria."
Il nuovo metodo da tavolo è complementare ad altre tecniche che cercano indizi sul mistero dell'antimateria, compresi gli esperimenti correlati eseguiti nel laboratorio Hutzler e il momento di dipolo elettrico del neutrone, o esperimento nEDM, che viene in parte costruito al Caltech da Brad Filippone, il Professore di Fisica Francis L. Moseley, e la sua squadra. Infatti, Hutzler ha lavorato con Filippone su questo esperimento come studente universitario al Caltech. L'esperimento nEDM, che alla fine si svolgerà presso l'Oak Ridge National Laboratory tra circa cinque anni, cercherà violazioni della simmetria CP specificamente nei neutroni.
"Questo nuovo approccio non è così pulito e diretto come nEDM, ma usando un'intera molecola, abbiamo il vantaggio di essere in grado di percepire violazioni di simmetria in una gamma di particelle, "dice Hutzler.
L'approccio della molecola radioattiva potrebbe richiedere anni in più per svilupparsi completamente, ma Hutzler afferma che si è divertito a concentrarsi sull'aspetto teorico del lavoro.
"Abbiamo iniziato a dilettarci di più in teoria, in parte a causa della pandemia e del fatto che abbiamo più tempo a casa, " dice. "Probabilmente non avremmo fatto questo lavoro di teoria altrimenti."
Lo studio, intitolato "Sondaggio di simmetrie fondamentali di nuclei deformati in molecole superiori simmetriche, " è stato finanziato dal National Institute of Standards and Technology, la Fondazione Gordon e Betty Moore, e la Fondazione Alfred P. Sloan.
