Imagine uma partícula de poeira em uma nuvem de tempestade, e você pode ter uma ideia da insignificância de um nêutron em comparação com a magnitude da molécula que ele habita.

Mas, assim como uma partícula de poeira pode afetar a trilha de uma nuvem, um nêutron pode influenciar a energia de sua molécula, apesar de ter menos de um milionésimo de seu tamanho. E agora os físicos do MIT e de outros lugares mediram com sucesso o minúsculo efeito de um nêutron em uma molécula radioativa.

A equipe desenvolveu uma nova técnica para produzir e estudar moléculas radioativas de vida curta com números de nêutrons que podem controlar com precisão. Eles escolheram a dedo vários isótopos da mesma molécula, cada um com um nêutron a mais do que o outro. Quando eles mediram a energia de cada molécula, eles foram capazes de detectar pequenos, mudanças quase imperceptíveis do tamanho nuclear, devido ao efeito de um único nêutron.

O fato de que eles foram capazes de ver esses pequenos efeitos nucleares sugere que os cientistas agora têm a chance de pesquisar essas moléculas radioativas em busca de efeitos ainda mais sutis, causado pela matéria escura, por exemplo, ou pelos efeitos de novas fontes de violações de simetria relacionadas a alguns dos mistérios atuais do universo.

"Se as leis da física são simétricas como pensamos que são, então o Big Bang deveria ter criado matéria e antimatéria na mesma quantidade. O fato de que a maior parte do que vemos é matéria, e há apenas cerca de uma parte por bilhão de antimatéria, significa que há uma violação das simetrias mais fundamentais da física, de uma forma que não podemos explicar com tudo o que sabemos, "diz Ronald Fernando Garcia Ruiz, professor assistente de física no MIT.

"Agora temos a chance de medir essas violações de simetria, usando essas moléculas radioativas pesadas, que têm extrema sensibilidade a fenômenos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza, "ele diz." Isso poderia fornecer respostas para um dos principais mistérios de como o universo foi criado. "

Ruiz e seus colegas publicaram seus resultados hoje em Cartas de revisão física .

Uma assimetria especial

A maioria dos átomos na natureza hospeda um simétrico, núcleo esférico, com nêutrons e prótons uniformemente distribuídos. Mas em certos elementos radioativos como o rádio, núcleos atômicos são estranhamente em forma de pêra, com uma distribuição desigual de nêutrons e prótons dentro. Os físicos levantam a hipótese de que essa distorção da forma pode aumentar a violação das simetrias que deram origem à matéria no universo.

"Os núcleos radioativos podem nos permitir ver facilmente esses efeitos de violação de simetria, "diz o autor principal do estudo, Silviu-Marian Udrescu, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física do MIT. "A desvantagem é, eles são muito instáveis ​​e vivem por um período muito curto de tempo, então precisamos de métodos sensíveis para produzi-los e detectá-los, velozes."

Em vez de tentar localizar núcleos radioativos por conta própria, a equipe os colocou em uma molécula que amplifica ainda mais a sensibilidade às violações de simetria. As moléculas radioativas consistem em pelo menos um átomo radioativo, ligado a um ou mais outros átomos. Cada átomo é cercado por uma nuvem de elétrons que, juntos, geram um campo elétrico extremamente alto na molécula que os físicos acreditam poder amplificar efeitos nucleares sutis, tais como efeitos de violação de simetria.

Contudo, além de certos processos astrofísicos, como a fusão de estrelas de nêutrons, e explosões estelares, as moléculas radioativas de interesse não existem na natureza e, portanto, devem ser criadas artificialmente. Garcia Ruiz e seus colegas vêm refinando técnicas para criar moléculas radioativas em laboratório e estudar com precisão suas propriedades. Ano passado, eles relataram um método para produzir moléculas de monofluoreto de rádio, ou RaF, uma molécula radioativa que contém um átomo de rádio instável e um átomo de flúor.

Em seu novo estudo, a equipe usou técnicas semelhantes para produzir isótopos RaF, ou versões da molécula radioativa com vários números de nêutrons. Como fizeram em seu experimento anterior, os pesquisadores utilizaram o Isotope Mass Separator On-Line, ou ISOLDE, instalação no CERN, em Genebra, Suíça, para produzir pequenas quantidades de isótopos RaF.

A instalação abriga um feixe de prótons de baixa energia, que a equipe direcionou para um alvo - um disco de carboneto de urânio do tamanho de meio dólar, no qual eles também injetaram um gás de fluoreto de carbono. As reações químicas que se seguiram produziram um zoológico de moléculas, incluindo RaF, que a equipe separou usando um sistema preciso de lasers, Campos electromagnéticos, e armadilhas de íons.

Os pesquisadores mediram a massa de cada molécula para estimar o número de nêutrons no núcleo de rádio de uma molécula. Eles então classificaram as moléculas por isótopos, de acordo com seus números de nêutrons.

No fim, eles separaram grupos de cinco diferentes isótopos de RaF, cada um carregando mais nêutrons do que o outro. Com um sistema separado de lasers, a equipe mediu os níveis quânticos de cada molécula.

"Imagine uma molécula vibrando como duas bolas em uma mola, com uma certa quantidade de energia, "explica Udrescu, que é aluno de graduação do Laboratório de Ciência Nuclear do MIT. "Se você alterar o número de nêutrons em uma dessas bolas, a quantidade de energia pode mudar. Mas um nêutron é 10 milhões de vezes menor que uma molécula, e com a nossa precisão atual, não esperávamos que mudar um criasse uma diferença de energia, mas aconteceu. E pudemos ver claramente esse efeito. "

Udrescu compara a sensibilidade das medições a ser capaz de ver como o Monte Everest, colocado na superfície do sol, poderia, embora minuciosamente, mudar o raio do sol. Por comparação, ver certos efeitos de violação de simetria seria como ver como a largura de um único fio de cabelo humano alteraria o raio do sol.

Os resultados demonstram que as moléculas radioativas como RaF são ultrassensíveis aos efeitos nucleares e que sua sensibilidade pode provavelmente revelar mais sutil, efeitos nunca antes vistos, como pequenas propriedades nucleares que violam simetria, isso poderia ajudar a explicar a assimetria matéria-antimmater do universo.

"Essas moléculas radioativas muito pesadas são especiais e têm sensibilidade a fenômenos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza, "Diz Udrescu." Isso mostra que, quando começamos a procurar por efeitos de violação de simetria, temos uma grande chance de vê-los nessas moléculas. "