Det ødelagte spejl:Kan paritetsovertrædelse i molekyler endelig måles?

Forskere har længe forsøgt eksperimentelt at demonstrere en vis symmetriegenskab ved den svage interaktion - paritetskrænkelse - i molekyler. Indtil nu, dette har ikke været muligt. En ny tværfaglig indsats ledet af en forskergruppe ved PRISMA+ Cluster of Excellence ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu vist en realistisk vej til at demonstrere dette fænomen. Fremgangsmåden omfatter aspekter af atomkraft, elementær partikel, atom- og molekylær fysik samt nuklear magnetisk resonans (NMR). "Ikke -bevarelse af molekylær paritet i nukleare spin -koblinger" er offentliggjort i det aktuelle nummer af tidsskriftet Physical Review Research.

Symmetrier er allestedsnærværende, i rummet såvel som i molekylernes verden, atomer og elementarpartikler. De fire grundlæggende kræfter (elektromagnetisme, tyngdekraft, og de stærke og svage atomkræfter) adlyder også visse, måske tilsyneladende abstrakt, symmetrier. Fra Big Bang til i dag, eksisterende symmetrier blev gentagne gange brudt. Symmetri og symmetribrud afspejles nødvendigvis i de fysiske processer og tilstande, som vi kan observere.

En af disse symmetrier er spejlsymmetrien (symmetri med hensyn til refleksion i rummet) - hvis den er brudt, forskerne taler om paritetskrænkelse. Ifølge den nuværende viden, den svage interaktion er den eneste blandt de fire grundlæggende kræfter, der ikke fremstår spejlsymmetrisk:Kun i processer, der er underlagt denne interaktion, forekommer paritetsovertrædelser. "Da den svage interaktion næsten ikke spiller nogen rolle i vores hverdagserfaring - tyngdekraften og elektromagnetismen dominerer her - modsiger fænomenet paritetskrænkelse vores normale idé og er derfor vanskelig at forstå, "siger Dr. John Blanchard, hovedforfatter af undersøgelsen. "Paritetsovertrædelse i den svage interaktion blev derfor først teoretisk forudsagt i 1950'erne og blev opdaget kort tid efter i visse atom- og elementarpartikelforfald. Paritetsovertrædende processer er aldrig blevet påvist i molekyler, selvom teoretiske beregninger forudsiger, at de skal være der. Endeligt bevis på sådanne subtile effekter er, så at sige, en hellig gral af præcisionsmålefysik. "

Mange forsøg er blevet gjort til eksperimentelt at observere virkningerne af paritetskrænkelse i molekyler. Et eksempel er interaktionen mellem spinnene i forskellige atomkerner i et molekyle. På tur, disse kan i princippet detekteres og analyseres ved hjælp af nuklear magnetisk resonansmetoder (NMR). Mens teamet af forskere allerede har udviklet en lovende tilgang til kirale molekyler i et tidligere arbejde (doi.org/10.1103/PhysRevA.96.042119), deres nuværende publikation fokuserer på simple molekyler, der består af så få som to atomer. Først og fremmest, de identificerer en særlig NMR-målevariabel (en specifik spin-spin-kobling) på grundlag af hvilken paritetsoverskridelsen vises og udfører komplekse teoretiske analyser for at beregne den forventede effekt inden for molekylet. Disse beregninger blev udført i tæt samarbejde med medforfatteren af ​​undersøgelsen, Prof. Mikhail G. Kozlov fra Nuclear Physics Institute i Skt.Petersborg, Rusland, som Mainz -gruppen har arbejdet meget vellykket med i mange år.

Bygger på dette, forskerne foreslår et specielt eksperiment, der skal være følsomt nok til at detektere de beregnede signaler:"Den såkaldte ZULF (nul til ultralav felt) NMR-metode er en eksotisk teknik, som vi allerede brugte til mørkt stof med succes, "forklarer prof. Dr. Dmitry Budker, også forfatter til undersøgelsen. "Det tilbyder et system, hvor nukleare spins interagerer mere med hinanden end med et eksternt magnetfelt. På denne måde, det muliggør direkte måling af antisymmetriske spin-spin-koblinger, som er afbrudt i konventionelle højfelt-NMR-eksperimenter. "

"Vores resultater viser en elegant måde at kvantitativt undersøge den svage interaktion i molekyler og atomkerner, "slutter Dr. Blanchard." Resultaterne af vores forundersøgelse er meget lovende - vi håber snart at få eksperimentel verifikation af ikke -bevarelse af molekylær paritet. "