Los físicos del MIT han desarrollado una técnica para estudiar el interior del núcleo de un átomo basándose en los propios electrones del átomo como “mensajeros” dentro de la molécula.
En un estudio publicado el 23 de octubre, el Dr. cienciaEl equipo midió con precisión la energía de un electrón que orbita alrededor de un átomo de radio que estaba unido químicamente a un átomo de fluoruro, formando monofluoruro de radio. Utilizando el entorno molecular como sustituto microscópico de una colisión de partículas, confinaron los electrones del átomo de radio y aumentaron la probabilidad de que algunos pasaran brevemente a través del núcleo.
Los experimentos tradicionales que exploran el interior nuclear se basan en aceleradores de escala kilométrica que aceleran haces de electrones para romper el núcleo. El nuevo enfoque centrado en las moléculas proporciona una forma compacta y de mesa de sondear directamente el interior de un núcleo.
Los métodos de mesa detectan “mensajes” atómicos.
Trabajando con monofluoruro de radio, los investigadores rastrean las energías de los electrones en los átomos de radio a medida que se mueven a través de la molécula. Observaron un pequeño cambio de energía y concluyeron que algunos electrones debieron haber entrado brevemente en el núcleo e interactuado con lo que había en su interior. A medida que estos electrones se mueven, retienen los cambios de energía y llevan efectivamente un “mensaje” nuclear que revela las propiedades del interior del núcleo.
El método allana el camino para medir las “distribuciones magnéticas” nucleares. Dentro de un núcleo, cada protón y neutrón se comporta como un pequeño imán y su orientación depende de cómo estén dispuestas estas partículas. El equipo planea utilizar la técnica para mapear esta propiedad en el radio por primera vez, un movimiento que podría resolver uno de los enigmas centrales de la cosmología: por qué el universo contiene tanta más materia que antimateria.
“Nuestros resultados sientan las bases para futuras investigaciones destinadas a medir las violaciones de la simetría fundamental a nivel atómico”, dijo el coautor del estudio Ronald Fernando García Ruiz, profesor asociado de Física Thomas A. Frank en el MIT. “Podría responder algunas de las preguntas más importantes de la física moderna”.
Los coautores del MIT incluyen a Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu y Alex Brinson, junto con colaboradores de varias instituciones, incluido el Experimento de Espectroscopía de Ionización por Resonancia Colineal (CRIS) del CERN en Suiza, donde se llevaron a cabo los experimentos.
Papel del desequilibrio materia-antimateria y el radio.
Según los conocimientos actuales, el universo primitivo debería haber contenido cantidades aproximadamente iguales de materia y antimateria. Sin embargo, casi todo lo que podemos detectar hoy es materia formada por protones y neutrones dentro del núcleo atómico.
Esta observación entra en conflicto con las expectativas del Modelo Estándar, lo que sugiere que la falta de antimateria requiere una fuente adicional de ruptura de la simetría fundamental. Estos efectos pueden aparecer en el núcleo de ciertos átomos, incluido el radio.
A diferencia de la mayoría de los núcleos, que son casi esféricos, el núcleo de radio tiene una forma asimétrica, parecida a una pera. Los teóricos predicen que esta geometría podría hacer que las señales de ruptura de simetría sean potencialmente observables.
“Se predice que el núcleo de radio será un amplificador de esta ruptura de simetría, porque su núcleo es asimétrico en carga y masa, lo cual es bastante inusual”, dijo García Ruiz, cuyo grupo se centra en desarrollar métodos para examinar los núcleos de radio en busca de signos de ruptura de simetría fundamental.
Desarrollo de pruebas moleculares ultrasensibles Mirar dentro de un núcleo de radio es extremadamente difícil para probar la simetría fundamental.
“El radio es naturalmente radiactivo, tiene una vida corta y actualmente sólo podemos producir pequeñas cantidades de moléculas de monofluoruro de radio”, dijo el autor principal del estudio, Shane Wilkins, ex postdoctorado en el MIT. “Por eso necesitamos técnicas increíblemente sensibles para poder medirlos”.
El equipo reconoció que incorporar un átomo de radio en una molécula puede restringir y amplificar el comportamiento de sus electrones.
“Cuando se coloca este átomo radiactivo dentro de una molécula, el campo eléctrico interno que experimentan los electrones es órdenes de magnitud mayor que los campos que podemos crear y aplicar en un laboratorio”, explica Silviu-Marian Woodrescu PhD ’24, coautor del estudio. “En cierto modo, la molécula actúa como un colisionador de partículas gigante y nos da una mejor oportunidad de sondear el núcleo del radio”.
El cambio de energía revela el encuentro entre el electrón y el núcleo
Los investigadores crearon monofluoruro de radio emparejando átomos de radio con átomos de fluoruro. En esta molécula, los electrones de radio están efectivamente comprimidos, lo que aumenta la probabilidad de que interactúen y entren brevemente en el núcleo de radio.
Luego atrapan y enfrían las moléculas, las guían a través de cámaras de vacío y las iluminan con láseres diseñados para interactuar con las moléculas. Esta configuración permite mediciones precisas de la energía de los electrones dentro de cada molécula.
Las energías medidas muestran una sutil diferencia con respecto a las expectativas basadas en que los electrones no ingresan al núcleo. Aunque el cambio de energía fue sólo una millonésima parte de la energía de los fotones láser utilizados para excitar las moléculas, proporcionó evidencia clara de que los electrones interactuaban con los protones y neutrones dentro del núcleo de radio.
“Hay muchos experimentos fuera del núcleo para medir las interacciones entre el núcleo y los electrones, y sabemos cómo son esas interacciones”, explica Wilkins. “Cuando medimos estas energías de los electrones con mucha precisión, no coincidieron con lo que esperábamos, dado que sólo interactuaban fuera del núcleo. Esto nos dijo que la diferencia debe deberse a las interacciones de los electrones dentro del núcleo”.
“Ahora tenemos pruebas de que podemos tomar muestras del interior del núcleo”, afirma García Ruiz. “Es como poder medir el campo eléctrico de una batería. La gente puede medir el campo exterior, pero medir el interior de una batería es mucho más difícil. Y podemos hacerlo ahora”.
Siguiente paso: mapear fuerzas y probar la simetría
En el futuro, el equipo planea aplicar nuevas técnicas para mapear la distribución de energía dentro del núcleo. Hasta ahora, sus experimentos han involucrado núcleos de radio colocados en orientaciones aleatorias dentro de cada molécula a altas temperaturas. García Ruiz y sus colegas quieren poder enfriar estas moléculas y controlar la orientación de sus núcleos en forma de pera para poder mapear con precisión sus contenidos y buscar violaciones de simetría fundamental.
“Se prevé que las moléculas que contienen radio serán sistemas excepcionalmente sensibles para investigar violaciones de las simetrías fundamentales de la naturaleza”, afirma García Ruiz. “Ahora tenemos una manera de realizar esa búsqueda”.
Esta investigación fue apoyada en parte por el Departamento de Energía de EE. UU.
