Investigadores del MIT y otros lugares han combinado el poder de un supercolisionador con técnicas de espectroscopia láser para medir con precisión una molécula radiactiva de corta duración. monofluoruro de radio, por primera vez.

Los estudios de precisión de moléculas radiactivas abren posibilidades para que los científicos busquen nueva física más allá del Modelo Estándar, como los fenómenos que violan ciertas simetrías fundamentales en la naturaleza, y buscar signos de materia oscura. La técnica experimental del equipo también podría usarse para realizar estudios de laboratorio de moléculas radiactivas producidas en procesos astrofísicos.

"Nuestros resultados allanan el camino para estudios de alta precisión de moléculas radiactivas de vida corta, que podría ofrecer un laboratorio nuevo y único para la investigación en física fundamental y otros campos, "dice el autor principal del estudio, Ronald Fernando García Ruiz, profesor asistente de física en el MIT.

Los colegas de García Ruiz incluyen a Alex Brinson, un estudiante graduado del MIT, junto con un equipo internacional de investigadores que trabajan en el CERN, la Organización Europea de Investigación Nuclear, en Ginebra. Los resultados se publican hoy en la revista Naturaleza .

Invirtiendo el tiempo

La molécula más simple está formada por dos átomos, cada uno con un núcleo que comprende un cierto número de protones y neutrones que hacen que un átomo sea más pesado que el otro. Cada núcleo está rodeado por una nube de electrones. En presencia de un campo eléctrico, estos electrones se pueden redistribuir para crear un campo eléctrico extremadamente grande dentro de la molécula.

Los físicos han utilizado moléculas y sus campos eléctricos como laboratorios en miniatura para estudiar las propiedades fundamentales de los electrones y otras partículas subatómicas. Por ejemplo, cuando un electrón ligado interactúa con el campo eléctrico de la molécula, su energía puede cambiar como resultado, que los científicos pueden medir para inferir las propiedades del electrón, como su momento dipolar electrostático, que proporciona una medida de su desviación de una forma esférica.

Según el modelo estándar de física de partículas, las partículas elementales deben ser aproximadamente esféricas, o tener un momento dipolar electrostático insignificante. Si, sin embargo, existe un momento dipolar eléctrico permanente de una partícula o un sistema, esto implicaría que ciertos procesos en la naturaleza no son tan simétricos como habían asumido los físicos.

Por ejemplo, Los físicos creen que la mayoría de las leyes fundamentales de la física deberían permanecer inalteradas con la dirección del tiempo, un principio conocido como simetría de inversión del tiempo. Es decir, independientemente de si el tiempo avanza o retrocede, gravedad, por ejemplo, debería hacer que una bola caiga de un acantilado, o volver a subir, a lo largo del mismo camino en velocidad y espacio. Si, sin embargo, un electrón no es perfectamente esférico, esto indicaría que se viola la simetría de inversión del tiempo. Esta violación proporcionaría una condición muy necesaria para explicar por qué hay más materia que antimateria en nuestro universo.

Al estudiar las interacciones de un electrón con campos eléctricos muy fuertes, los científicos podrían tener la posibilidad de medir con precisión sus momentos dipolares eléctricos. En ciertas moléculas, cuanto más pesados ​​son sus átomos, cuanto más fuerte es su campo eléctrico interno. Las moléculas radiactivas, las que contienen al menos un núcleo inestable, se pueden adaptar para maximizar sus campos eléctricos internos. Es más, Los núcleos radiactivos pesados ​​pueden tener formas parecidas a las de una pera, que pueden amplificar sus propiedades de violación de la simetría.

Debido a sus altos campos eléctricos y formas nucleares únicas, Las moléculas radiactivas harían laboratorios naturales en los que probar no solo la estructura del electrón, pero también propiedades nucleares que violan la simetría. Pero estas moléculas son de corta duración, y los científicos no han podido precisarlos.

"Estas moléculas radiactivas son de naturaleza muy rara y algunas de ellas no se pueden encontrar en nuestro planeta, pero puede ser abundante en procesos astrofísicos como explosiones estelares, o fusiones de estrellas de neutrones, "Dice García Ruiz." Así que tenemos que hacerlos artificialmente, y los principales desafíos han sido que solo se pueden producir en pequeñas cantidades a altas temperaturas, y puede ser de muy corta duración ".

Una aguja en la oscuridad

El equipo buscó una forma de fabricar monofluoruro de radio, o RaF:una molécula radiactiva que contiene una sustancia muy pesada átomo de radio inestable, y un átomo de fluoruro. Esta molécula es de particular interés porque ciertos isótopos del núcleo de radio son asimétricos, parecido a una pera, con más masa en un extremo del núcleo que en el otro.

Y lo que es más, los teóricos habían predicho que la estructura energética del monofluoruro de radio haría que la molécula fuera susceptible de enfriamiento por láser, una técnica que utiliza láseres para reducir la temperatura de las moléculas, y ralentizarlos lo suficiente para realizar estudios de precisión. Si bien la mayoría de las moléculas tienen muchos estados de energía que pueden ocupar, con un gran número de estados vibracionales y rotacionales, resulta que el monofluoruro de radio favorece las transiciones electrónicas entre unos pocos niveles de energía principales, una molécula inusualmente simple de controlar, usando enfriamiento por láser.

El equipo pudo medir moléculas de RaF haciendo primero pequeñas cantidades de la molécula utilizando el Separador de masa de isótopos en línea del CERN. o instalación de ISOLDE en el CERN, que luego manipularon y estudiaron con láseres utilizando el experimento de espectroscopía de ionización por resonancia colineal (CRIS).

En su experimento, los investigadores utilizaron el Proton Synchrotron Booster del CERN, una serie de anillos que recibe protones de un acelerador de partículas y acelera los protones. El equipo disparó estos protones a un objetivo hecho de carburo de uranio, a energías tan altas que el ataque destruyó el uranio, produciendo una lluvia de protones y neutrones que se mezclaron para formar una mezcla de núcleos radiactivos, incluido el radio.

Luego, los investigadores inyectaron un gas de tetrafluoruro de carbono, que reaccionó con el radio para cargarse, o moléculas iónicas de monofluoruro de radio, que separaron del resto de los subproductos del uranio a través de un sistema de imanes separadores de masa. Luego inmovilizaron las moléculas en una trampa de iones y las rodearon con gas helio, que enfrió las moléculas lo suficiente como para que los investigadores las midieran.

Próximo, el equipo midió las moléculas volviéndolas a acelerar y pasándolas a través de la configuración CRIS, donde las moléculas iónicas interactuaban con átomos de sodio que le daban un electrón a cada molécula para neutralizar el haz de moléculas en vuelo. Las moléculas neutras luego continuaron a través de una región de interacción, donde los investigadores también proyectaron dos rayos láser:uno rojo, el otro azul.

El equipo sintonizó la frecuencia del láser rojo hacia arriba y hacia abajo, y descubrió que a ciertas longitudes de onda el láser resonaba con las moléculas, excitar un electrón en la molécula a otro nivel de energía, de modo que el láser azul tuviera suficiente energía para eliminar el electrón de la molécula. Las moléculas resonantemente excitadas, hecho iónico de nuevo, fueron desviados y recogidos en un detector de partículas, permitiendo a los investigadores medir, por primera vez, sus niveles de energía, y las propiedades moleculares asociadas que demuestran que la estructura de estas moléculas es de hecho favorable para el enfriamiento por láser.

"Previo a nuestras medidas, todos los niveles de energía de estas moléculas eran desconocidos, García Ruiz dice. "Esto ha sido como tratar de encontrar una aguja en una habitación oscura, muchos cientos de metros de ancho. Ahora que hemos encontrado la aguja podemos medir las propiedades de esa aguja y empezar a jugar con ella ".