Pesquisadores do MIT e de outros lugares combinaram o poder de um supercolisor com técnicas de espectroscopia a laser para medir com precisão uma molécula radioativa de vida curta, monofluoreto de rádio, pela primeira vez.

Os estudos de precisão de moléculas radioativas abrem possibilidades para os cientistas buscarem uma nova física além do modelo padrão, tais como fenômenos que violam certas simetrias fundamentais na natureza, e procurar por sinais de matéria escura. A técnica experimental da equipe também pode ser usada para realizar estudos de laboratório de moléculas radioativas produzidas em processos astrofísicos.

"Nossos resultados abrem caminho para estudos de alta precisão de moléculas radioativas de vida curta, que poderia oferecer um laboratório novo e único para pesquisas em física fundamental e outros campos, "diz o principal autor do estudo, Ronald Fernando Garcia Ruiz, professor assistente de física no MIT.

Os colegas de Garcia Ruiz incluem Alex Brinson, um estudante de pós-graduação do MIT, junto com uma equipe internacional de pesquisadores trabalhando no CERN, a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, em Genebra. Os resultados são publicados hoje na revista. Natureza .

Invertendo o tempo

A molécula mais simples é feita de dois átomos, cada um com um núcleo compreendendo um certo número de prótons e nêutrons que tornam um átomo mais pesado do que o outro. Cada núcleo é cercado por uma nuvem de elétrons. Na presença de um campo elétrico, esses elétrons podem ser redistribuídos para criar um campo elétrico extremamente grande dentro da molécula.

Os físicos usaram as moléculas e seus campos elétricos como laboratórios em miniatura para estudar as propriedades fundamentais dos elétrons e outras partículas subatômicas. Por exemplo, quando um elétron ligado interage com o campo elétrico da molécula, sua energia pode mudar como resultado, que os cientistas podem medir para inferir as propriedades do elétron, como seu momento dipolo eletrostático, que fornece uma medida de seu desvio de uma forma esférica.

De acordo com o modelo padrão da física de partículas, as partículas elementares devem ser quase esféricas, ou ter um momento de dipolo eletrostático desprezível. Se, Contudo, existe um momento de dipolo elétrico permanente de uma partícula ou sistema, isso implicaria que certos processos na natureza não são tão simétricos como os físicos presumiram.

Por exemplo, os físicos acreditam que a maioria das leis fundamentais da física deve permanecer inalterada com a direção do tempo - um princípio conhecido como simetria de reversão do tempo. Isso é, independentemente de o tempo correr para frente ou para trás, gravidade, por exemplo, deve fazer com que uma bola caia de um penhasco, ou role para cima, ao longo do mesmo caminho em velocidade e espaço. Se, Contudo, um elétron não é perfeitamente esférico, isso indicaria que a simetria de reversão de tempo é violada. Essa violação forneceria uma condição necessária para explicar por que há mais matéria do que antimatéria em nosso universo.

Ao estudar as interações de um elétron com campos elétricos muito fortes, os cientistas podem ter a chance de medir com precisão seus momentos de dipolo elétrico. Em certas moléculas, quanto mais pesados ​​seus átomos, mais forte será o seu campo elétrico interno. Moléculas radioativas - aquelas contendo pelo menos um núcleo instável - podem ser adaptadas para maximizar seus campos elétricos internos. Além disso, núcleos radioativos pesados ​​podem ter formas semelhantes a pêras, o que pode amplificar suas propriedades de violação de simetria.

Por causa de seus altos campos elétricos e formas nucleares únicas, moléculas radioativas fariam laboratórios naturais nos quais sondar não apenas a estrutura do elétron, mas também propriedades nucleares que violam simetria. Mas essas moléculas têm vida curta, e os cientistas não foram capazes de identificá-los.

"Essas moléculas radioativas são muito raras na natureza e algumas delas não podem ser encontradas em nosso planeta, mas pode ser abundante em processos astrofísicos, como explosões estelares, ou fusões de estrelas de nêutrons, "Garcia Ruiz diz." Então, temos que fazê-los artificialmente, e os principais desafios têm sido que eles só podem ser produzidos em pequenas quantidades em altas temperaturas, e pode ter vida curta. "

Uma agulha no escuro

A equipe procurou uma maneira de fazer monofluoreto de rádio, ou RaF - uma molécula radioativa que contém uma substância muito pesada, átomo de rádio instável, e um átomo de flúor. Esta molécula é de particular interesse porque certos isótopos do núcleo do rádio são eles próprios assimétricos, semelhante a uma pêra, com mais massa em uma extremidade do núcleo do que na outra.

O que mais, os teóricos previram que a estrutura de energia do monofluoreto de rádio tornaria a molécula passível de resfriamento a laser, uma técnica que usa lasers para baixar a temperatura das moléculas, e diminuí-los o suficiente para realizar estudos de precisão. Embora a maioria das moléculas tenham muitos estados de energia que podem ocupar, com um grande número de estados vibracionais e rotacionais, Acontece que o monofluoreto de rádio favorece as transições eletrônicas entre alguns níveis de energia principais - uma molécula extraordinariamente simples de controlar, usando resfriamento a laser.

A equipe foi capaz de medir moléculas de RaF fazendo primeiro pequenas quantidades da molécula usando o Separador de Massa Isotópica On-Line do CERN, ou instalação ISOLDE no CERN, que eles então manipularam e estudaram com lasers usando o experimento de Espectroscopia de Ionização por Ressonância Colinear (CRIS).

Em seu experimento, os pesquisadores utilizaram o Proton Synchrotron Booster do CERN, uma série de anéis que recebe prótons de um acelerador de partículas e acelera os prótons. A equipe disparou esses prótons em um alvo feito de carboneto de urânio, com energias tão altas que o ataque destruiu o urânio, produzindo uma chuva de prótons e nêutrons que se misturavam para formar uma mistura de núcleos radioativos, incluindo rádio.

Os pesquisadores então injetaram um gás de tetrafluoreto de carbono, que reagiu com o rádio para gerar carga, ou moléculas iônicas de monofluoreto de rádio, que eles separaram do resto dos subprodutos do urânio por meio de um sistema de ímãs separadores de massa. Eles então fixaram as moléculas em uma armadilha de íons e as cercaram com gás hélio, que resfriou as moléculas o suficiente para que os pesquisadores as medissem.

Próximo, a equipe mediu as moléculas reacelerando e passando-as pela configuração do CRIS, onde as moléculas iônicas interagiram com os átomos de sódio que deram um elétron a cada molécula para neutralizar o feixe de moléculas em vôo. As moléculas neutras então continuaram através de uma região de interação, onde os pesquisadores também iluminaram dois feixes de laser - um vermelho, o outro azul.

A equipe ajustou a frequência do laser vermelho para cima e para baixo, e descobri que em certos comprimentos de onda o laser ressoava com as moléculas, excitar um elétron na molécula para outro nível de energia, de forma que o laser azul tinha energia suficiente para remover o elétron da molécula. As moléculas ressonantemente excitadas, feito iônico novamente, foram desviados e coletados em um detector de partículas, permitindo aos pesquisadores medir, pela primeira vez, seus níveis de energia, e as propriedades moleculares associadas que demonstram que a estrutura dessas moléculas é de fato favorável para o resfriamento a laser.

"Antes de nossas medições, todos os níveis de energia dessas moléculas eram desconhecidos, "Garcia Ruiz diz." Tem sido como tentar encontrar uma agulha em um quarto escuro, muitas centenas de metros de largura. Agora que encontramos a agulha, podemos medir as propriedades dessa agulha e começar a brincar com ela. "