Neue Hinweise, warum es im Universum so wenig Antimaterie gibt | MIT-Nachrichten

Stellen Sie sich ein Staubpartikel in einer Gewitterwolke vor, und Sie können sich vorstellen, wie unbedeutend ein Neutron für die Größe des Moleküls ist, in dem es steckt.

Aber genauso wie ein Staubkorn die Bahn einer Wolke beeinflussen kann, kann ein Neutron die Energie seines Moleküls beeinflussen, wenn es weniger als ein Millionstel seiner Größe hat. Und jetzt haben Physiker am MIT und anderswo erfolgreich die winzige Wirkung eines Neutrons in einem radioaktiven Molekül gemessen.

Das Team hat eine neue Technik entwickelt, um kurzlebige radioaktive Moleküle mit einer Anzahl von Neutronen herzustellen und zu untersuchen, die sie präzise steuern können. Sie wählten von Hand mehrere Isotope desselben Moleküls aus, von denen jedes ein Neutron mehr enthielt als das andere. Als sie die Energie jedes Moleküls maßen, konnten sie kleine, kaum wahrnehmbare Veränderungen der Kerngröße aufgrund der Wirkung eines einzelnen Neutrons feststellen.

Die Tatsache, dass sie so kleine nukleare Effekte sehen konnten, legt nahe, dass Wissenschaftler nun die Möglichkeit haben, nach solchen radioaktiven Molekülen nach noch subtileren Effekten zu suchen, die beispielsweise durch dunkle Materie oder durch die Auswirkungen neuer Quellen verursacht werden zu einigen der aktuellen Geheimnisse des Universums.

„Wenn die Gesetze der Physik symmetrisch sind, wie wir denken, dann hätte der Urknall die gleiche Menge an Materie und Antimaterie erzeugen müssen. Die Tatsache, dass das meiste, was wir sehen, aus Materie besteht und dass es nur einen Teil pro Milliarde Antimaterie gibt, bedeutet, dass die grundlegendsten Symmetrien der Physik verletzt werden, die wir mit allem, was wir wissen, nicht erklären können. „, sagt Ronald Fernando Garcia Ruiz, Assistenzprofessor für Physik am MIT.

„Jetzt haben wir die Möglichkeit, diese Symmetrieverletzungen zu messen, indem wir diese schweren radioaktiven Moleküle verwenden, die eine extreme Empfindlichkeit gegenüber nuklearen Phänomenen aufweisen, die wir bei anderen Molekülen in der Natur nicht sehen können“, sagt er. „Es könnte Antworten auf eines der Haupträtsel bei der Erschaffung des Universums geben.“

Ruiz und seine Kollegen veröffentlichten heute ihre Ergebnisse in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Eine besondere Asymmetrie

Die meisten Atome in der Natur beherbergen einen symmetrischen kugelförmigen Kern, in dem Neutronen und Protonen gleichmäßig verteilt sind. Aber in einigen radioaktiven Elementen wie Radium sind Atomkerne seltsam birnenförmig, mit einer ungleichmäßigen Verteilung von Neutronen und Protonen darin. Physiker vermuten, dass diese Formverzerrung die Verletzung der Symmetrien verstärken kann, die die Materie im Universum hervorgebracht haben.

„Radioaktive Kerne könnten es uns ermöglichen, diese symmetrieverletzenden Effekte leicht zu erkennen“, sagt der Hauptautor der Studie, Silviu-Marian Udrescu, ein Doktorand am Physik-Department am MIT. „Der Nachteil ist, dass sie sehr instabil sind und nur eine sehr kurze Zeit leben. Daher benötigen wir empfindliche Methoden, um sie schnell zu produzieren und zu erkennen.“

Anstatt zu versuchen, die radioaktiven Kerne selbst zu identifizieren, platzierte das Team sie in einem Molekül, das die Empfindlichkeit gegenüber Symmetrieverletzungen weiter verstärkt. Radioaktive Moleküle bestehen aus mindestens einem radioaktiven Atom, das mit einem oder mehreren anderen Atomen verbunden ist. Jedes Atom ist von einer Elektronenwolke umgeben, die zusammen ein extrem hohes elektrisches Feld im Molekül erzeugen, von dem Physiker glauben, dass es subtile nukleare Effekte wie Symmetrieverletzungen verstärken könnte.

Abgesehen von einigen astrophysikalischen Prozessen, wie der Verschmelzung von Neutronensternen und Sternexplosionen, existieren die interessierenden radioaktiven Moleküle jedoch nicht in der Natur und müssen daher künstlich erzeugt werden. Garcia Ruiz und seine Kollegen verfeinerten Techniken, um radioaktive Moleküle im Labor herzustellen und ihre Eigenschaften präzise zu untersuchen. Letztes Jahr berichteten sie über eine Methode zur Herstellung von Radiummonofluorid- oder RaF-Molekülen, einem radioaktiven Molekül, das ein instabiles Radiumatom und ein Fluoridatom enthält.

In ihrer neuen Studie verwendete das Team ähnliche Techniken, um RaF-Isotope oder Versionen des radioaktiven Moleküls mit unterschiedlichen Neutronenzahlen herzustellen. Wie in ihrem vorherigen Experiment verwendeten die Forscher die Online Isotope Mass Separation Facility (ISOLDE) am CERN, Genf, Schweiz, um kleine Mengen an RaF-Isotopen herzustellen.

Die Anlage beherbergt einen niederenergetischen Protonenstrahl, den das Team auf ein Ziel zielte – eine Scheibe aus Urankarbid von der Größe eines halben Dollars, in die auch ein Fluoridgas aus Kohlenstoff injiziert wurde. Die folgenden chemischen Reaktionen erzeugten einen Zoo von Molekülen, darunter RaF, die das Team mit einem präzisen System aus Lasern, elektromagnetischen Feldern und Ionenfallen trennte.

Die Forscher maßen die Masse jedes Moleküls, um die Anzahl der Neutronen im Radiumkern eines Moleküls abzuschätzen. Anschließend sortierten sie die Moleküle nach Isotopen, basierend auf ihrer Neutronenzahl.

Am Ende sortierten sie Pakete mit fünf verschiedenen Isotopen von RaF, von denen jedes mehr Neutronen enthielt als das andere. Mit einem separaten Lasersystem maß das Team die Quantenniveaus jedes Moleküls.

„Stellen Sie sich ein Molekül vor, das wie zwei Kugeln auf einer Feder mit einer bestimmten Energiemenge schwingt“, sagt Udrescu, ein Doktorand am Nuclear Science Laboratory des MIT. „Wenn Sie die Anzahl der Neutronen in einer dieser Kugeln ändern, könnte sich die Energiemenge ändern. Aber ein Neutron ist 10 Millionen Mal kleiner als ein Molekül, und mit unserer aktuellen Genauigkeit haben wir nicht erwartet, dass es einen Energieunterschied erzeugt, aber es tut es. Und wir konnten diesen Effekt deutlich sehen.

Udrescu vergleicht die Empfindlichkeit der Messungen damit, zu sehen, wie der auf der Sonnenoberfläche platzierte Mount Everest den Sonnenstrahl auch nur geringfügig verändern könnte. Im Vergleich dazu wäre das Sehen einiger Symmetrieverletzungseffekte so, als würde man sehen, wie die Breite eines einzelnen menschlichen Haares den Sonnenstrahl verändert.

Die Ergebnisse zeigen, dass radioaktive Moleküle wie RaF gegenüber nuklearen Effekten extrem empfindlich sind und dass ihre Empfindlichkeit wahrscheinlich noch nie zuvor gesehene subtilere Effekte aufdecken kann, wie etwa winzige symmetrieverletzende nukleare Eigenschaften, die zur Erklärung von Materie-Antimaterie des Universums beitragen könnten . Asymmetrie.

„Diese sehr schweren radioaktiven Moleküle sind etwas Besonderes und haben eine Empfindlichkeit gegenüber nuklearen Phänomenen, die wir bei anderen Molekülen in der Natur nicht sehen können“, erklärt Udrescu. „Dies zeigt, dass wir gute Chancen haben, sie in diesen Molekülen zu sehen, wenn wir nach Effekten suchen, die die Symmetrie verletzen.“

Diese Forschung wurde zum Teil vom Office of Nuclear Physics des US-Energieministeriums finanziert; MITI globale Seed-Fonds; der Europäische Forschungsrat; das belgische Forschungsprogramm FWO Vlaanderen und BriX IAP; die Deutsche Forschungsgemeinschaft; des British Council for Science and Technology Facilities und des Ernest Rutherford Fellowship.