Precyzyjne badania sztucznych molekuł radioaktywnych pozwolą na odkrycie tajemnic wszechświata?

Pomimo tego, że jest milion razy mniejszy, pojedynczy neutron może wpływać na energię molekuły. Teraz fizykom z MIT i innych uczelni udało się zmierzyć wpływ neutronu na radioaktywną molekułę, co może mieć fundamentalne znaczenie dla badań nad ciemną materią czy naruszeniem symetrii.

Naukowcy opracowali technikę wytwarzania i badania krótko żyjących radioaktywnych molekuł z precyzyjnie kontrolowaną liczbą neutronów. Wybrali liczne izotopy tej samej molekuły, a w każdym z nich był o 1 neutron mniej, niż w poprzednim. Następnie mierzyli energię każdej z molekuł i byli w stanie wykryć minimalne, niemal niewidoczne różnice pomiędzy nimi.

Możliwość zarejestrowania takich różnic oznacza, że naukowcy będą w stanie badać radioaktywne molekuły pod kątem występowania w nich zjawisk wywoływanych przez obecność ciemnej materii lub też przyczyn naruszenia symetrii we wszechświecie.

Jeśli prawa fizyki są symetryczne, a sądzimy, że są, to w wyniku Wielkiego Wybuchu powinno powstać tyle samo materii i antymaterii. Jednak fakt, że obserwujemy niemal wyłącznie materię, a antymateria to jedynie jedna część na miliard, oznacza, że coś narusza podstawową symetrię fizyki w sposób, którego nie potrafimy wyjaśnić, mówi profesor Ronald Fernando Garcia Ruiz z MIT.

Teraz mamy szansę zmierzyć te naruszenia symetrii, używając przy tym ciężkich radioaktywnych molekuł, które są niezwykle czułe na zjawiska, jakich nie obserwujemy w innych molekułach. Może to nam dostarczyć odpowiedzi na najwięsze tajemnice dotyczące powstania wszechświata, dodaje.

Większość jąder atomowych ma kształt sfery z równo rozłożonymi protonami i neutronami. Jednak niektóre pierwiastki radioaktywne, jak rad, mają jądra o kształcie gruszki. Protony i neutrony są w nich rozłożone nierównomiernie. Fizycy uważają, że takie zaburzenie kształtu może zwiększać naruszenie symetrii, które spowodowało, iż wszechświat składa się z materii. "Jądra pierwiastków radioaktywnych mogą pozwolić nam na obserwowanie tego naruszenia", uważa współautor najnowszych badań, Silviu-Marian Udrescu. "Problem w tym, że są one bardzo niestabilne i krótkotrwałe. Potrzebujemy więc bardzo czułych metod, które pozwolą nam na ich szybkie wytwarzania i badanie.

Naukowcy umieszczali radioaktywne pierwiastki w molekule, co dodatkowo zwiększa zaburzenie symetrii. Każda z radioaktywnych molekuł składa się z co najmniej jednego radioaktywnego atomu związanego z co najmniej jednym innym atomem. Każdy z atomów otoczony jest chmurą elektronów, które tworzą pole bardzo silne elektryczne molekuły. Naukowcy uważają, że pole to może dodatkowo wzmacniać subtelne zjawiska, jak np. zaburzenie symetrii.

Autorzy badań tworzą molekuły, które nie istnieją w naturze. W ubiegłym roku poinformowali u uzyskaniu monofluorku radu (RaF), radioaktywnej molekuły składającej się z atomu radu i atomu fluoru. Teraz zaczęli uzyskiwać izotopy tej molekuły, zawierające różną liczbę neutronów.

Podczas swojej pracy wykorzystali urządzenie ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line) z CERN-u. Powstaje w nim cała grupa molekuł, w tym RaF, które są oddzielane od reszty za pomocą laserów, pól elektromagnetycznych i pułapek jonowych. Następnie naukowcy badają masę molekuł, dzięki czemu poznają liczbę neutronów w jądrach radu. Następnie sortują molekuły w zależności od liczby neutronów. W ten sposób uzyskali pięć grup identycznych izotopów RaF. Izotopy w każdej z grup mają inną liczbę neutronów niż w pozostałych grupach. Następnie dokonywali pomiarów poziomów energetycznych cząsteczek.

Wyobraźmy sobie molekułę, która wibruje jak dwie piłki na sprężynie. Posiada ona pewną energię. Jeśli w jednej z tych piłek zmienimy liczbę neutronów, może zmieć się poziom energetyczny. Jednak każdy z neutronów jest 10 milionów razy mniejszy niż molekuła. Więc różnice są tutaj minimalne. Szczerze mówiąc, nie spodziewaliśmy się, że za pomocą współczesnych technik będziemy w stanie je zauważyć. Ale się udało. I bardzo wyraźnie to widać, mówi Udrescu.

Naukowiec porównuje czułość eksperymentu do możliwości zaobserwowania, jak Mount Everest, umieszczony na powierzchni Słońca, zmienia promień naszej gwiazdy. Dodaje, że zaobserwowanie naruszenia symetrii wymaga czułości odpowiadającej obserwacji wpływu ludzkiego włosa na zmianę promienia Słońca.

Uzyskane wyniki pokazują, że radioaktywne molekuły, takie jak RaF, są niezwykle czułe na pewne zjawiska, dzięki czemu możemy badać te zjawiska. Bardzo ciężkie radioaktywne molekuły są wyjątkowe. Są wrażliwe na zjawiska, jakich nie możemy zaobserwować w innych molekułach. Jeśli więc szukamy tego, co narusza symetrię, jest spora szansa, że zauważymy to w takich właśnie molekułach, dodaje Udrescu.

ciemna materia symetria Wielki Wybuch molekuła radioaktywna