Immagina una particella di polvere in una nuvola temporalesca e puoi avere un’idea di quanto sia poco significativo un neutrone rispetto alla grandezza della molecola in cui vive.
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 meno di un milionesimo delle sue dimensioni.
E ora i fisici del MIT e altri istituti hanno misurato con successo il minuscolo effetto provocato da 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, ognuno con un neutrone in più rispetto al successivo.
Quando hanno misurato l’energia di ogni molecola, sono stati in grado di rilevare piccoli cambiamenti quasi impercettibili della dimensione nucleare, dovuti all’effetto di un singolo neutrone.
Il fatto che siano stati in grado di vedere effetti nucleari così piccoli suggerisce che ora gli scienziati hanno la possibilità di cercare tali molecole radioattive per effetti ancora più sottili, causati dalla materia oscura, ad esempio, o dagli effetti di nuove fonti di violazioni di simmetria legate ad alcuni degli attuali misteri dell’universo.
I fisici del MIT scoprono che le molecole radioattive sono sensibili a sottili effetti nucleari e potrebbero essere sonde ideali per spiegare perché c’è più materia che antimateria nell’universo. Credito: immagine stock modificata da MIT News
“Se le leggi della fisica sono simmetriche come pensiamo, 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“, afferma Ronald Fernando Garcia Ruiz, assistente professore di fisica al MIT.
“Ora abbiamo la possibilità di misurare queste violazioni della simmetria, utilizzando queste pesanti molecole radioattive, che hanno un’estrema sensibilità ai fenomeni nucleari che non possiamo vedere in altre molecole in natura“, afferma. “Ciò potrebbe fornire risposte a uno dei principali misteri su come è stato creato l’universo“.
Ruiz e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati in Physical Review Letters.
Un’asimmetria speciale
La maggior parte degli atomi in natura ospita un nucleo sferico simmetrico, con neutroni e protoni distribuiti uniformemente. Ma in alcuni 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 consentirci 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 che sono molto instabili e vivono per un periodo di tempo molto breve, quindi abbiamo bisogno di metodi sensibili per produrli e rilevarli, velocemente“.
Piuttosto che tentare di individuare i nuclei radioattivi da soli, il team li ha collocati 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.
Tuttavia, a parte in alcuni processi astrofisici, come la fusione di stelle di neutroni e le 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 di 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 l’impianto Isotope mass Separator On-Line, o ISOLDE, presso il CERN, a Ginevra, in Svizzera, per produrre piccole quantità di isotopi RaF.
La struttura ospita un raggio di protoni a bassa energia, che il team ha diretto verso un bersaglio: un disco di carburo di uranio delle dimensioni di mezzo dollaro, sul quale hanno anche iniettato un gas di fluoruro di carbonio.
Le conseguenti reazioni chimiche hanno prodotto uno zoo di molecole, tra cui 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, in base al loro numero di neutroni.
Alla fine, hanno selezionato gruppi di cinque diversi isotopi di RaF, ciascuno contenente più neutroni dell’altro. Con un sistema separato di laser, il team ha misurato i livelli quantici di ciascuna molecola.
“Immagina una molecola che vibra come due sfere su una molla, con una certa quantità di energia“, spiega Udrescu. “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 è successo. E siamo stati in grado di vedere chiaramente questo effetto”.
Udrescu confronta la sensibilità delle misurazioni con la capacità di vedere come l’Everest, posto sulla superficie del Sole, potrebbe, per quanto minuziosamente, cambiare il raggio del Sole. In 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 rivelare effetti più sottili e mai visti prima, come minuscole proprietà nucleari che violano la simmetria, il che potrebbero 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“, afferma Udrescu. “Questo dimostra che, quando iniziamo a cercare effetti di violazione della simmetria, abbiamo un’alta probabilità di vederli in queste molecole“.
Riferimento: 7 luglio 2021, Physical Review Letters.
