Immagina una particella di polvere in una nuvola di tempesta, e puoi avere un'idea dell'insignificanza di un neutrone rispetto alla grandezza della molecola che abita.

Ma proprio come un granello di polvere potrebbe influenzare la traccia di una nuvola, un neutrone può influenzare l'energia della sua molecola nonostante sia inferiore a un milionesimo delle sue dimensioni. E ora i fisici del MIT e altrove hanno misurato con successo il minuscolo effetto di un neutrone in una molecola radioattiva.

Il team ha sviluppato una nuova tecnica per produrre e studiare molecole radioattive di breve durata con numeri di neutroni che possono controllare con precisione. Hanno raccolto a mano diversi isotopi della stessa molecola, ciascuno con un neutrone in più del successivo. Quando hanno misurato l'energia di ogni molecola, sono stati in grado di rilevare piccoli, cambiamenti quasi impercettibili della dimensione nucleare, per effetto di un singolo neutrone.

Il fatto che siano stati in grado di vedere effetti nucleari così piccoli suggerisce che gli scienziati ora hanno la possibilità di cercare tali molecole radioattive per effetti ancora più sottili, causato dalla materia oscura, Per esempio, o dagli effetti di nuove fonti di violazioni di simmetria legate ad alcuni degli attuali misteri dell'universo.

"Se le leggi della fisica sono simmetriche come pensiamo che siano, allora il Big Bang avrebbe dovuto creare materia e antimateria nella stessa quantità. Il fatto che la maggior parte di ciò che vediamo è materia, e c'è solo una parte per miliardo di antimateria, significa che c'è una violazione delle simmetrie più fondamentali della fisica, in un modo che non possiamo spiegare con tutto ciò che sappiamo, " dice Ronald Fernando Garcia Ruiz, assistente professore di fisica al MIT.

"Ora abbiamo la possibilità di misurare queste violazioni di simmetria, usando queste pesanti molecole radioattive, che hanno un'estrema sensibilità ai fenomeni nucleari che non possiamo vedere in altre molecole in natura, " dice. "Questo potrebbe fornire risposte a uno dei principali misteri di come è stato creato l'universo."

Ruiz e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati in Lettere di revisione fisica .

Un'asimmetria speciale

La maggior parte degli atomi in natura ospita un simmetrico, nucleo sferico, con neutroni e protoni distribuiti uniformemente. Ma in certi elementi radioattivi come il radio, i nuclei atomici sono stranamente a forma di pera, con una distribuzione irregolare di neutroni e protoni all'interno. I fisici ipotizzano che questa distorsione di forma possa favorire la violazione delle simmetrie che hanno dato origine alla materia nell'universo.

"I nuclei radioattivi potrebbero permetterci di vedere facilmente questi effetti di violazione della simmetria, ", afferma l'autore principale dello studio Silviu-Marian Udrescu, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica del MIT. "Lo svantaggio è sono molto instabili e vivono per un brevissimo lasso di tempo, quindi abbiamo bisogno di metodi sensibili per produrli e rilevarli, veloce."

Piuttosto che tentare di individuare da soli i nuclei radioattivi, il team li ha inseriti in una molecola che amplifica ulteriormente la sensibilità alle violazioni della simmetria. Le molecole radioattive sono costituite da almeno un atomo radioattivo, legato a uno o più altri atomi. Ogni atomo è circondato da una nuvola di elettroni che insieme generano un campo elettrico estremamente elevato nella molecola che i fisici ritengono possa amplificare sottili effetti nucleari, come gli effetti della violazione della simmetria.

Però, a parte alcuni processi astrofisici, come la fusione di stelle di neutroni, ed esplosioni stellari, le molecole radioattive di interesse non esistono in natura e quindi devono essere create artificialmente. Garcia Ruiz e i suoi colleghi hanno perfezionato le tecniche per creare molecole radioattive in laboratorio e studiarne con precisione le proprietà. L'anno scorso, hanno riferito su un metodo per produrre molecole di monofluoruro di radio, o RaF, una molecola radioattiva che contiene un atomo di radio instabile e un atomo di fluoruro.

Nel loro nuovo studio, il team ha utilizzato tecniche simili per produrre isotopi RaF, o versioni della molecola radioattiva con un numero variabile di neutroni. Come hanno fatto nel loro esperimento precedente, i ricercatori hanno utilizzato il separatore di massa isotopico On-Line, o ISOLA, struttura al CERN, a Ginevra, Svizzera, produrre piccole quantità di isotopi RaF.

La struttura ospita un fascio di protoni a bassa energia, che la squadra ha diretto verso un bersaglio:un disco di carburo di uranio delle dimensioni di mezzo dollaro, su cui hanno anche iniettato un gas di fluoruro di carbonio. Le conseguenti reazioni chimiche hanno prodotto uno zoo di molecole, compreso RaF, che il team ha separato utilizzando un preciso sistema di laser, campi elettromagnetici, e trappole ioniche.

I ricercatori hanno misurato la massa di ogni molecola per stimare il numero di neutroni nel nucleo di radio di una molecola. Hanno quindi ordinato le molecole per isotopi, secondo il loro numero di neutroni.

Alla fine, hanno selezionato gruppi di cinque diversi isotopi di RaF, ciascuno contenente più neutroni del successivo. Con un sistema separato di laser, il team ha misurato i livelli quantici di ciascuna molecola.

"Immagina una molecola che vibra come due palline su una molla, con una certa quantità di energia, " spiega Udrescu, che è uno studente laureato del Laboratorio di Scienze Nucleari del MIT. "Se cambi il numero di neutroni in una di queste sfere, la quantità di energia potrebbe cambiare. Ma un neutrone è 10 milioni di volte più piccolo di una molecola, e con la nostra attuale precisione non ci aspettavamo che cambiarne uno avrebbe creato una differenza di energia, ma lo ha fatto. E siamo stati in grado di vedere chiaramente questo effetto".

Udrescu confronta la sensibilità delle misurazioni per poter vedere come il Monte Everest, posto sulla superficie del sole, Potevo, comunque minuziosamente, cambiare il raggio del sole. A confronto, vedere certi effetti della violazione della simmetria sarebbe come vedere come la larghezza di un singolo capello umano altererebbe il raggio del sole.

I risultati dimostrano che le molecole radioattive come RaF sono ultrasensibili agli effetti nucleari e che la loro sensibilità potrebbe rivelarsi più sottile, effetti mai visti prima, come minuscole proprietà nucleari che violano la simmetria, che potrebbe aiutare a spiegare l'asimmetria materia-antimateria dell'universo.

"Queste molecole radioattive molto pesanti sono speciali e hanno una sensibilità ai fenomeni nucleari che non possiamo vedere in altre molecole in natura, " dice Udrescu. "Questo dimostra che, quando iniziamo a cercare effetti che violino la simmetria, abbiamo un'alta probabilità di vederli in queste molecole."