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Cambios isotópicos de las moléculas de monofluoruro de radio
Una nueva investigación demuestra que las moléculas radiactivas son sensibles a fenómenos nucleares sutiles. Las moléculas podrían ayudar a los físicos a investigar la violación de las simetrías más fundamentales de la naturaleza, incluida la razón por la que el universo contiene relativamente poca antimateria.
Imagínese una partícula de polvo en una nube de tormenta, y podrá hacerse una idea de la insignificancia de un neutrón en comparación con la magnitud de la molécula que habita.
Pero al igual que una mota de polvo puede afectar a la trayectoria de una nube, un neutrón puede influir en la energía de su molécula a pesar de ser menos de una millonésima parte de su tamaño. Y ahora, físicos del MIT y de otros lugares han logrado medir el diminuto efecto de un neutrón en una molécula radiactiva.
El equipo ha desarrollado una nueva técnica para producir y estudiar moléculas radiactivas de vida corta con números de neutrones que pueden controlar con precisión. Seleccionaron a mano varios isótopos de la misma molécula, cada uno con un neutrón más que el siguiente. Cuando midieron la energía de cada molécula, pudieron detectar pequeños y casi imperceptibles cambios del tamaño nuclear, debidos al efecto de un solo neutrón.
El hecho de que fueran capaces de ver efectos nucleares tan pequeños sugiere que los científicos tienen ahora la oportunidad de buscar en esas moléculas radiactivas efectos aún más sutiles, causados por la materia oscura, por ejemplo, o por los efectos de nuevas fuentes de violaciones de la simetría relacionadas con algunos de los misterios actuales del universo.
"Si las leyes de la física son simétricas como creemos, entonces el Big Bang debería haber creado materia y antimateria en la misma cantidad. El hecho de que la mayor parte de lo que vemos es materia, y sólo hay una parte por billón de antimateria, significa que hay una violación de las simetrías más fundamentales de la física, de una manera que no podemos explicar con todo lo que sabemos", dice Ronald Fernando García Ruiz, profesor asistente de física en el MIT.
"Ahora tenemos la oportunidad de medir estas violaciones de simetría, utilizando estas moléculas pesadas radiactivas, que tienen una sensibilidad extrema a los fenómenos nucleares que no podemos ver en otras moléculas de la naturaleza", dice. "Eso podría proporcionar respuestas a uno de los principales misterios de cómo se creó el universo".
Ruiz y sus colegas han publicado hoy sus resultados en Physical Review Letters.
Una asimetría especial
La mayoría de los átomos de la naturaleza tienen un núcleo simétrico y esférico, con neutrones y protones distribuidos uniformemente. Pero en ciertos elementos radiactivos como el radio, los núcleos atómicos tienen una extraña forma de pera, con una distribución desigual de neutrones y protones en su interior. Los físicos plantean la hipótesis de que esta distorsión de la forma puede potenciar la violación de las simetrías que dieron origen a la materia en el universo.
"Los núcleos radiactivos podrían permitirnos ver fácilmente estos efectos de violación de la simetría", afirma el autor principal del estudio, Silviu-Marian Udrescu, estudiante de posgrado del Departamento de Física del MIT. "El inconveniente es que son muy inestables y viven muy poco tiempo, por lo que necesitamos métodos sensibles para producirlos y detectarlos, rápidamente".
En lugar de intentar localizar los núcleos radiactivos por sí mismos, el equipo los colocó en una molécula que amplía aún más la sensibilidad a las violaciones de la simetría. Las moléculas radiactivas están formadas por al menos un átomo radiactivo, unido a otro u otros átomos. Cada átomo está rodeado por una nube de electrones que, juntos, generan un campo eléctrico extremadamente alto en la molécula que, según los físicos, podría amplificar los efectos nucleares sutiles, como los efectos de la violación de la simetría.
Sin embargo, aparte de ciertos procesos astrofísicos, como la fusión de estrellas de neutrones, y las explosiones estelares, las moléculas radiactivas de interés no existen en la naturaleza y, por tanto, deben crearse artificialmente. García Ruiz y sus colegas han estado perfeccionando las técnicas para crear moléculas radiactivas en el laboratorio y estudiar con precisión sus propiedades. El año pasado, informaron sobre un método para producir moléculas de monofluoruro de radio, o RaF, una molécula radiactiva que contiene un átomo inestable de radio y un átomo de fluoruro.
En su nuevo estudio, el equipo utilizó técnicas similares para producir isótopos de RaF, o versiones de la molécula radiactiva con distintos números de neutrones. Al igual que en su experimento anterior, los investigadores utilizaron la instalación ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line) del CERN, en Ginebra (Suiza), para producir pequeñas cantidades de isótopos de RaF.
La instalación alberga un haz de protones de baja energía, que el equipo dirigió hacia un objetivo, un disco de carburo de uranio del tamaño de medio dólar, en el que también inyectaron un gas de fluoruro de carbono. Las reacciones químicas resultantes produjeron un zoo de moléculas, entre ellas el RaF, que el equipo separó utilizando un sistema preciso de láseres, campos electromagnéticos y trampas de iones.
Los investigadores midieron la masa de cada molécula para estimar el número de neutrones en el núcleo de radio de una molécula. A continuación, clasificaron las moléculas por isótopos, según su número de neutrones.
Al final, clasificaron racimos de cinco isótopos diferentes de RaF, cada uno con más neutrones que el siguiente. Con un sistema separado de láseres, el equipo midió los niveles cuánticos de cada molécula.
"Imagina una molécula que vibra como dos bolas sobre un muelle, con una determinada cantidad de energía", explica Udrescu, que es estudiante de posgrado del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT. "Si se cambia el número de neutrones en una de estas bolas, la cantidad de energía podría cambiar. Pero un neutrón es 10 millones de veces más pequeño que una molécula, y con nuestra precisión actual no esperábamos que cambiar uno creara una diferencia de energía, pero así fue. Y pudimos ver claramente este efecto".
Udrescu compara la sensibilidad de las mediciones con la posibilidad de ver cómo el Monte Everest, colocado en la superficie del sol, podría, aunque sea mínimamente, cambiar el radio del sol. En comparación, ver ciertos efectos de la violación de la simetría sería como ver cómo la anchura de un solo cabello humano alteraría el radio del sol.
Los resultados demuestran que las moléculas radiactivas como el RaF son ultrasensibles a los efectos nucleares y que su sensibilidad podría revelar efectos más sutiles y nunca vistos, como pequeñas propiedades nucleares que violan la simetría, que podrían ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria del universo.
"Estas moléculas radiactivas muy pesadas son especiales y tienen una sensibilidad a los fenómenos nucleares que no podemos ver en otras moléculas de la naturaleza", afirma Udrescu. "Esto demuestra que, cuando empecemos a buscar efectos que violen la simetría, tenemos muchas posibilidades de verlos en estas moléculas".
Esta investigación ha sido financiada, en parte, por la Oficina de Física Nuclear del Departamento de Energía de EE.UU.; los fondos globales MISTI; el Consejo Europeo de Investigación; el programa belga de investigación FWO Vlaanderen y BriX IAP; la Fundación Alemana de Investigación; el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido, y la beca Ernest Rutherford.
Fuentes, créditos y referencias:
"Isotope Shifts of Radium Monofluoride Molecules" ,
arXiv:2105.10549
Material sacado de
Massachusetts Institute of Technology