Los científicos han intentado durante mucho tiempo demostrar experimentalmente una cierta propiedad de simetría de la interacción débil (violación de la paridad) en las moléculas. Hasta aquí, esto no ha sido posible. Un nuevo esfuerzo interdisciplinario dirigido por un grupo de investigación en el PRISMA + Cluster of Excellence en Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) y el Helmholtz Institute Mainz (HIM) ha mostrado ahora un camino realista para demostrar este fenómeno. El enfoque incluye aspectos de la energía nuclear, partícula elemental, física atómica y molecular, así como resonancia magnética nuclear (RMN). "No conservación de la paridad molecular en acoplamientos de espín nuclear" se publica en el número actual de la revista Physical Review Research.

Las simetrías son omnipresentes, tanto en el espacio como en el mundo de las moléculas, átomos y partículas elementales. Las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnetismo, gravedad, y las fuerzas nucleares fuertes y débiles) también obedecen a ciertos, tal vez aparentemente abstracto, simetrías. Desde el Big Bang hasta la actualidad, las simetrías existentes se rompieron repetidamente. La simetría y la ruptura de la simetría se reflejan necesariamente en los procesos y estados físicos que podemos observar.

Una de estas simetrías es la simetría especular (simetría con respecto a la reflexión en el espacio); si se rompe, los investigadores hablan de violación de la paridad. Según los conocimientos actuales, la interacción débil es la única entre las cuatro fuerzas fundamentales que no parece simétrica en espejo:sólo en los procesos que están sujetos a esta interacción ocurren violaciones de paridad. "Dado que la interacción débil casi no juega ningún papel en nuestra experiencia cotidiana (aquí dominan la gravedad y el electromagnetismo), el fenómeno de la violación de la paridad contradice nuestra idea normal y, por lo tanto, es difícil de comprender, "dice el Dr. John Blanchard, autor principal del estudio. "La violación de la paridad en la interacción débil, por lo tanto, solo se predijo teóricamente en la década de 1950 y se descubrió poco después en ciertas desintegraciones de partículas nucleares y elementales. Los procesos de violación de la paridad nunca se han detectado en las moléculas, aunque los cálculos teóricos predicen que deberían estar allí. La evidencia definitiva de efectos tan sutiles es, por así decirlo, un santo grial de la física de medición de precisión ".

Se han realizado muchos intentos para observar experimentalmente los efectos de la violación de la paridad en las moléculas. Un ejemplo es la interacción de los espines de diferentes núcleos atómicos en una molécula. Sucesivamente, en principio, estos pueden detectarse y analizarse mediante métodos de resonancia magnética nuclear (RMN). Si bien el equipo de científicos ya ha desarrollado un enfoque prometedor para las moléculas quirales en un trabajo anterior (doi.org/10.1103/PhysRevA.96.042119), su publicación actual se centra en moléculas simples que constan de tan solo dos átomos. En primer lugar, identifican una variable de medición de RMN especial (un acoplamiento espín-espín específico) sobre la base de la cual se muestra la violación de la paridad y realizan análisis teóricos complejos para calcular el efecto esperado dentro de la molécula. Estos cálculos se realizaron en estrecha colaboración con el coautor del estudio, Prof. Mikhail G. Kozlov del Instituto de Física Nuclear de San Petersburgo, Rusia, con quien el grupo Mainz ha estado trabajando con mucho éxito durante muchos años.

Sobre la base de esto, los científicos proponen un experimento especial que debería ser lo suficientemente sensible como para detectar las señales calculadas:"El método llamado RMN ZULF (campo cero a ultrabajo) es una técnica exótica que ya estábamos usando con éxito para la materia oscura, "explica el Prof. Dr. Dmitry Budker, también autor del estudio. "Ofrece un sistema en el que los espines nucleares interactúan entre sí más que con un campo magnético externo. De esta manera, permite la medición directa de acoplamientos espín-espín antisimétricos, que se cortan en los experimentos convencionales de RMN de campo alto ".

"Nuestros resultados muestran una forma elegante de investigar cuantitativamente la interacción débil en moléculas y núcleos atómicos, ", concluye el Dr. Blanchard." Los resultados de nuestro estudio de viabilidad son muy prometedores; esperamos tener pronto una verificación experimental de la no conservación de la paridad molecular ".