Nye ledetråde til, hvorfor der er så lidt antistof i universet

Forestil dig en støvpartikel i en stormsky, og du kan få en idé om en neutrons ubetydelighed sammenlignet med størrelsen af ​​det molekyle, den bebor.

Men ligesom en støvsnav kan påvirke en skys spor, en neutron kan påvirke energien af ​​sit molekyle på trods af at den er mindre end en milliontedel af størrelsen. Og nu har fysikere ved MIT og andre steder med succes målt en neutrons lille effekt i et radioaktivt molekyle.

Holdet har udviklet en ny teknik til at producere og studere kortlivede radioaktive molekyler med neutrontal, de præcist kan kontrollere. De håndplukkede flere isotoper af det samme molekyle, hver med en neutron mere end den næste. Når de målte hvert molekyles energi, de var i stand til at opdage små, næsten umærkelige ændringer af den nukleare størrelse, på grund af virkningen af ​​en enkelt neutron.

Det faktum, at de var i stand til at se så små nukleare effekter, tyder på, at videnskabsmænd nu har en chance for at søge sådanne radioaktive molekyler for endnu mere subtile effekter, forårsaget af mørkt stof, for eksempel, eller ved virkningerne af nye kilder til symmetriovertrædelser relateret til nogle af universets nuværende mysterier.

"Hvis fysikkens love er symmetriske, som vi tror, ​​de er, så burde Big Bang have skabt stof og antistof i samme mængde. Det faktum, at det meste af det, vi ser, er stof, og der er kun omkring en del per milliard antistof, betyder, at der er en krænkelse af fysikkens mest fundamentale symmetrier, på en måde, så vi ikke kan forklare med alt, hvad vi ved, " siger Ronald Fernando Garcia Ruiz, assisterende professor i fysik ved MIT.

"Nu har vi en chance for at måle disse symmetriovertrædelser, ved at bruge disse tunge radioaktive molekyler, som har ekstrem følsomhed over for nukleare fænomener, som vi ikke kan se i andre molekyler i naturen, " siger han. "Det kunne give svar på et af hovedmysterierne om, hvordan universet blev skabt."

Ruiz og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i Fysisk gennemgangsbreve .

En særlig asymmetri

De fleste atomer i naturen er vært for en symmetrisk, sfærisk kerne, med neutroner og protoner jævnt fordelt overalt. Men i visse radioaktive grundstoffer som radium, atomkerner er underligt pæreformede, med en ujævn fordeling af neutroner og protoner indeni. Fysikere antager, at denne formforvrængning kan forstærke krænkelsen af ​​symmetrier, der gav oprindelsen til stoffet i universet.

"Radioaktive kerner kunne give os mulighed for nemt at se disse symmetri-krænkende effekter, " siger studielederforfatter Silviu-Marian Udrescu, en kandidatstuderende i MIT's Institut for Fysik. "Ulempen er, de er meget ustabile og lever i meget kort tid, så vi har brug for følsomme metoder til at producere og opdage dem, hurtig."

I stedet for at forsøge at fastlægge radioaktive kerner på egen hånd, holdet placerede dem i et molekyle, der yderligere forstærker følsomheden over for symmetriovertrædelser. Radioaktive molekyler består af mindst et radioaktivt atom, bundet til et eller flere andre atomer. Hvert atom er omgivet af en sky af elektroner, der tilsammen genererer et ekstremt højt elektrisk felt i molekylet, som fysikere mener kunne forstærke subtile nukleare effekter, såsom virkninger af symmetriovertrædelse.

Imidlertid, bortset fra visse astrofysiske processer, såsom fusionerende neutronstjerner, og stjerneeksplosioner, de radioaktive molekyler af interesse findes ikke i naturen og skal derfor skabes kunstigt. Garcia Ruiz og hans kolleger har forfinet teknikker til at skabe radioaktive molekyler i laboratoriet og præcist studere deres egenskaber. Sidste år, de rapporterede om en metode til at producere molekyler af radiummonofluorid, eller RaF, et radioaktivt molekyle, der indeholder ét ustabilt radiumatom og et fluoridatom.

I deres nye undersøgelse, holdet brugte lignende teknikker til at producere RaF-isotoper, eller versioner af det radioaktive molekyle med varierende antal neutroner. Som de gjorde i deres tidligere eksperiment, forskerne brugte Isotope Mass Separator On-Line, eller ISOLDE, facilitet på CERN, i Genève, Schweiz, at producere små mængder af RaF isotoper.

Anlægget rummer en lavenergi protonstråle, som holdet rettede mod et mål - en skive af urancarbid på størrelse med en halv dollar, hvorpå de også sprøjtede en kulstoffluoridgas ind. De efterfølgende kemiske reaktioner producerede en zoologisk have af molekyler, inklusive RaF, som holdet adskilte ved hjælp af et præcist system af lasere, elektromagnetiske felter, og ionfælder.

Forskerne målte hvert molekyles masse for at estimere antallet af neutroner i et molekyles radiumkerne. De sorterede derefter molekylerne efter isotoper, i henhold til deres neutrontal.

Til sidst, de sorterede grupper af fem forskellige isotoper af RaF, hver bærer flere neutroner end den næste. Med et separat system af lasere, holdet målte kvanteniveauerne for hvert molekyle.

"Forestil dig et molekyle, der vibrerer som to kugler på en fjeder, med en vis mængde energi, " forklarer Udrescu, som er kandidatstuderende ved MIT's Laboratory for Nuclear Science. "Hvis du ændrer antallet af neutroner i en af ​​disse kugler, mængden af ​​energi kan ændre sig. Men én neutron er 10 millioner gange mindre end et molekyle, og med vores nuværende præcision forventede vi ikke, at det ville skabe en energiforskel ved at skifte en. men det gjorde det. Og vi kunne tydeligt se denne effekt."

Udrescu sammenligner følsomheden af ​​målingerne med at kunne se, hvordan Mount Everest, placeret på solens overflade, kunne, dog minutiøst, ændre solens radius. Til sammenligning, at se visse effekter af symmetriskrænkelse ville være som at se, hvordan bredden af ​​et enkelt menneskehår ville ændre solens radius.

Resultaterne viser, at radioaktive molekyler såsom RaF er ultrafølsomme over for nukleare effekter, og at deres følsomhed sandsynligvis kan afsløre mere subtile, aldrig før sete effekter, såsom små symmetriskrænkende nukleare egenskaber, som kunne være med til at forklare universets stof-antimater-asymmetri.

"Disse meget tunge radioaktive molekyler er specielle og har følsomhed over for nukleare fænomener, som vi ikke kan se i andre molekyler i naturen, " siger Udrescu. "Dette viser, at når vi begynder at søge efter symmetri-krænkende effekter, vi har en stor chance for at se dem i disse molekyler."