Una representación artística de la estructura del ion monometóxido de radio, o RaOCH 3 + , utilizado en el nuevo estudio. El asimétrico o en forma de pera, El núcleo de radio se destaca en la parte superior. Crédito:Instituto de Tecnología de California
Estrellas, galaxias, y todo en el universo, incluyendo nuestros propios cuerpos, se componen de la denominada materia regular. La materia regular incluye átomos y moléculas, que están formados por partículas diminutas, como los electrones, protones, y neutrones. Estas partículas dominan nuestro universo, superando ampliamente en número a sus contrapartes menos conocidas:partículas de antimateria. Descubierto experimentalmente por primera vez en 1932 por el fallecido premio Nobel y antiguo profesor de Caltech Carl Anderson, Las partículas de antimateria tienen cargas opuestas a sus contrapartes de materia. La partícula de antimateria al electrón cargado negativamente, por ejemplo, es el positrón cargado positivamente.
¿Cómo llegó la materia a eclipsar a la antimateria? Los científicos creen que algo sucedió al principio de la historia de nuestro cosmos que inclinó el equilibrio de las partículas hacia la materia, causando que la antimateria desaparezca en gran medida. Cómo ocurrió esto sigue siendo un misterio.
En un nuevo estudio en la revista Cartas de revisión física , Nick Hutzler, profesor asistente de física en Caltech, y su estudiante graduado Phelan Yu, proponer una nueva herramienta de mesa para buscar respuestas al acertijo de la antimateria. Como otros físicos que estudian el problema, La idea principal de los investigadores es buscar asimetrías en la forma en que la materia regular interactúa con los campos electromagnéticos. Esto está relacionado con un tipo de simetría que se ve comúnmente en partículas llamado paridad de carga, o CP. Cualquier desviación de la simetría CP esperada podría explicar cómo la materia finalmente superó a la antimateria en nuestro universo.
Hutzler y sus colegas trabajaron teóricamente una nueva forma de probar estas violaciones de simetría utilizando una molécula radiactiva llamada ion monometóxido de radio. o RaOCH 3 + . Sus socios en UC Santa Barbara, dirigido por Andrew Jayich, luego creó estas moléculas por primera vez y publicó los resultados en un artículo complementario en Cartas de revisión física .
Los estudios conjuntos demuestran que las moléculas radiactivas tienen el potencial de ser sondas aún más sensibles de simetrías de partículas fundamentales que los átomos no radiactivos que se utilizan habitualmente en la actualidad.
"El método de última generación para este tipo de estudio utiliza átomos, "explica Hutzler." Pero las moléculas pueden ser incluso mejores sondas porque tienen asimetría incorporada. Para empezar, tienen bultos y ladeados. El núcleo de radio es aún más abultado ya que tiene una distribución de carga muy desigual, y esto también ayuda. El resultado es un 100, 000 a 1, 000, 000 mayor amplificación de violaciones de simetría, si alguno está presente, en comparación con lo que ha sido el estado del arte ".
Para buscar violaciones de simetría en partículas, los investigadores generalmente observan cómo se comportan las partículas en los campos eléctricos. Buscan comportamientos anormales que rompan las reglas de simetría conocidas; por ejemplo, Los físicos han predicho que las violaciones de la simetría pueden hacer que un electrón precese, o se tambalea como una peonza, en un campo eléctrico. Las moléculas tienen campos electromagnéticos en su interior, por su naturaleza asimétrica, por lo que son objetivos ideales para este tipo de trabajo.
Hutzler dice que había pensado en usar moléculas a base de radio para este propósito antes, incluso llamándose a sí mismo un "fanático del radio, "pero explicó que el isótopo que necesitan es extremadamente radiactivo con una vida media de dos semanas (la mitad de un trozo de radio se desintegrará en otros núcleos en solo dos semanas).
"Este isótopo de radio es muy radiactivo y muy escaso, lo que dificulta trabajar con él, "explica Hutzler." Pero las propiedades únicas del RaOCH 3 + molécula supera muchos de estos desafíos, y, cuando se combina con la técnica experimental demostrada en UC Santa Barbara, permitirá moderno, cuántico, métodos altamente sensibles para buscar estas violaciones de simetría ".
El nuevo método de sobremesa es complementario a otras técnicas que buscan pistas sobre el misterio de la antimateria, incluidos los experimentos relacionados realizados en el laboratorio de Hutzler, así como el momento del dipolo eléctrico de neutrones, o experimento nEDM, que está siendo construido en parte en Caltech por Brad Filippone, el profesor de física Francis L. Moseley, y su equipo. De hecho, Hutzler trabajó con Filippone en este experimento como estudiante en Caltech. El experimento nEDM, que finalmente tendrá lugar en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en unos cinco años, buscará violaciones de simetría CP específicamente en neutrones.
"Este nuevo enfoque no es tan limpio y directo como nEDM, pero usando una molécula completa, tenemos la ventaja de poder detectar violaciones de simetría en un rango de partículas, "dice Hutzler.
El enfoque de la molécula radioactiva puede tardar años más en desarrollarse por completo, pero Hutzler dice que ha disfrutado centrándose en el aspecto teórico del trabajo.
"Hemos comenzado a incursionar más en teoría, en parte debido a la pandemia y a tener más tiempo en casa, ", dice." Probablemente no hubiéramos hecho que esta teoría funcionara de otra manera ".
El estudio, titulado "Sondeo de simetrías fundamentales de núcleos deformados en moléculas superiores simétricas, "fue financiado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, la Fundación Gordon y Betty Moore, y la Fundación Alfred P. Sloan.
