Imagina una partícula de polvo en una nube de tormenta, y puede hacerse una idea de la insignificancia de un neutrón en comparación con la magnitud de la molécula que habita.

Pero así como una mota de polvo puede afectar la trayectoria de una nube, un neutrón puede influir en la energía de su molécula a pesar de tener menos de una millonésima parte de su tamaño. Y ahora los físicos del MIT y otros lugares han medido con éxito el efecto minúsculo de un neutrón en una molécula radiactiva.

El equipo ha desarrollado una nueva técnica para producir y estudiar moléculas radiactivas de vida corta con números de neutrones que pueden controlar con precisión. Escogieron a mano varios isótopos de la misma molécula, cada uno con un neutrón más que el siguiente. Cuando midieron la energía de cada molécula, fueron capaces de detectar pequeños, cambios casi imperceptibles del tamaño nuclear, debido al efecto de un solo neutrón.

El hecho de que pudieran ver efectos nucleares tan pequeños sugiere que los científicos ahora tienen la oportunidad de buscar tales moléculas radiactivas en busca de efectos aún más sutiles. causado por la materia oscura, por ejemplo, o por los efectos de nuevas fuentes de violaciones de simetría relacionadas con algunos de los misterios actuales del universo.

"Si las leyes de la física son simétricas como creemos, entonces el Big Bang debería haber creado materia y antimateria en la misma cantidad. El hecho de que la mayor parte de lo que vemos es materia, y solo hay una parte por billón de antimateria, significa que hay una violación de las simetrías más fundamentales de la física, de una manera que no podemos explicar con todo lo que sabemos, "dice Ronald Fernando García Ruiz, profesor asistente de física en el MIT.

"Ahora tenemos la oportunidad de medir estas violaciones de simetría, utilizando estas moléculas radiactivas pesadas, que tienen una sensibilidad extrema a los fenómenos nucleares que no podemos ver en otras moléculas de la naturaleza, ", dice." Eso podría proporcionar respuestas a uno de los principales misterios de cómo se creó el universo ".

Ruiz y sus compañeros han publicado hoy sus resultados en Cartas de revisión física .

Una asimetría especial

La mayoría de los átomos en la naturaleza albergan un simétrico, núcleo esférico, con neutrones y protones distribuidos uniformemente por todas partes. Pero en ciertos elementos radiactivos como el radio, los núcleos atómicos tienen una extraña forma de pera, con una distribución desigual de neutrones y protones en su interior. Los físicos plantean la hipótesis de que esta distorsión de la forma puede potenciar la violación de las simetrías que dieron origen a la materia en el universo.

"Los núcleos radiactivos podrían permitirnos ver fácilmente estos efectos que violan la simetría, "dice el autor principal del estudio, Silviu-Marian Udrescu, estudiante de posgrado en el Departamento de Física del MIT. "La desventaja es, son muy inestables y viven muy poco tiempo, por lo que necesitamos métodos sensibles para producirlos y detectarlos, rápido."

En lugar de intentar identificar los núcleos radiactivos por sí mismos, el equipo los colocó en una molécula que amplifica aún más la sensibilidad a las violaciones de simetría. Las moléculas radiactivas constan de al menos un átomo radiactivo, unido a uno o más átomos. Cada átomo está rodeado por una nube de electrones que juntos generan un campo eléctrico extremadamente alto en la molécula que los físicos creen que podría amplificar los sutiles efectos nucleares. como los efectos de la violación de la simetría.

Sin embargo, aparte de ciertos procesos astrofísicos, como la fusión de estrellas de neutrones, y explosiones estelares, las moléculas radiactivas de interés no existen en la naturaleza y, por tanto, deben crearse artificialmente. García Ruiz y sus colegas han estado refinando técnicas para crear moléculas radiactivas en el laboratorio y estudiar con precisión sus propiedades. El año pasado, informaron sobre un método para producir moléculas de monofluoruro de radio, o RaF, una molécula radiactiva que contiene un átomo de radio inestable y un átomo de fluoruro.

En su nuevo estudio, el equipo utilizó técnicas similares para producir isótopos RaF, o versiones de la molécula radiactiva con un número variable de neutrones. Como hicieron en su experimento anterior, los investigadores utilizaron el Separador de masa de isótopos en línea, o ISOLDE, instalación en el CERN, en Ginebra, Suiza, para producir pequeñas cantidades de isótopos RaF.

La instalación alberga un haz de protones de baja energía, que el equipo dirigió hacia un objetivo:un disco de carburo de uranio del tamaño de medio dólar, sobre el que también inyectaron un gas de fluoruro de carbono. Las reacciones químicas subsiguientes produjeron un zoológico de moléculas, incluyendo RaF, que el equipo separó utilizando un sistema preciso de láseres, campos electromagnéticos, y trampas de iones.

Los investigadores midieron la masa de cada molécula para estimar el número de neutrones en el núcleo de radio de una molécula. Luego clasificaron las moléculas por isótopos, según su número de neutrones.

En el final, clasificaron grupos de cinco isótopos diferentes de RaF, cada uno con más neutrones que el siguiente. Con un sistema separado de láseres, el equipo midió los niveles cuánticos de cada molécula.

"Imagina una molécula vibrando como dos bolas en un resorte, con una cierta cantidad de energía, "explica Udrescu, quien es un estudiante graduado del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT. "Si cambia el número de neutrones en una de estas bolas, la cantidad de energía podría cambiar. Pero un neutrón es 10 millones de veces más pequeño que una molécula, y con nuestra precisión actual, no esperábamos que cambiar uno creara una diferencia de energía, pero lo hizo. Y pudimos ver claramente este efecto ".

Udrescu compara la sensibilidad de las mediciones con poder ver cómo el Monte Everest, colocado en la superficie del sol, podría, aunque minuciosamente, cambiar el radio del sol. En comparación, ver ciertos efectos de la violación de la simetría sería como ver cómo el ancho de un solo cabello humano alteraría el radio del sol.

Los resultados demuestran que las moléculas radiactivas como el RaF son ultrasensibles a los efectos nucleares y que su sensibilidad probablemente se revele más sutil, efectos nunca antes vistos, como pequeñas propiedades nucleares que violan la simetría, eso podría ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria del universo.

"Estas moléculas radiactivas muy pesadas son especiales y tienen una sensibilidad a los fenómenos nucleares que no podemos ver en otras moléculas de la naturaleza". "Udrescu dice." Esto demuestra que, cuando empezamos a buscar efectos que violen la simetría, tenemos una alta probabilidad de verlos en estas moléculas ".