Nuevas pistas sobre por qué hay tan poca antimateria en el universo


Imagine partículas 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 así como una nube de motas de polvo podría afectar la trayectoria, un neutrón puede influir en la energía de sus moléculas a pesar de tener menos de una millonésima parte de su tamaño. Y ahora los físicos del MIT y otros lugares han medido con éxito el efecto de un neutrón en una pequeña 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. Escogieron 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 cambios pequeños, casi imperceptibles, del tamaño nuclear, debido al efecto de un solo neutrón.

El hecho de que fueran capaces de ver efectos nucleares tan pequeños sugiere que los científicos ahora tienen la oportunidad de buscar en tales moléculas radiactivas incluso los efectos sutiles causados ​​por la materia oscura, por ejemplo, o por los efectos de nuevas fuentes de violaciones de simetría relacionadas con algunos de los efectos. los misterios actuales del universo.

“Si las leyes de la física son simétricas como creemos que son, 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 radiactivas pesadas, 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 sus resultados hoy en Physical Review Letters.

Una asimetría especial

La mayoría de los átomos del hospedador natural se encuentran en un núcleo esférico simétrico, con neutrones y protones distribuidos uniformemente por todas partes. 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.

“El programa nuclear radiactivo podría permitirnos ver fácilmente estos efectos que violan la simetría”, dice el autor principal del estudio, Silviu-Marian Udrescu, estudiante de posgrado en el Departamento de Física del MIT. “La desventaja 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 precisar el ataque nuclear radiactivo por sí mismos, el equipo los colocó en una molécula que amplifica aún más la sensibilidad a las violaciones de simetría. Las moléculas radiactivas constan de al menos un átomo radiactivo, unido a uno o más átomos. Cada átomo está rodeado por una nube de electrones que juntos generan un campo eléctrico extremadamente alto en la molécula que los físicos nucleares creen que podría amplificar los efectos 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 explosiones estelares, las moléculas radiactivas de interés no existen en la naturaleza y por lo tanto deben crearse artificialmente. García Ruiz y sus colegas han estado refinando técnicas para crear las moléculas radiactivas en el laboratorio y estudiar con precisión sus propiedades. El año pasado, informaron sobre un método para producir moléculas de monofluoruro ligero, o RAF, una molécula radiactiva que contiene un átomo y un radio inestable de un átomo de fluoruro.

En su nuevo estudio, el equipo utilizó técnicas similares para producir isótopos RAF, o versiones de las moléculas radiactivas con diferentes números de neutrones. Como lo hicieron en su experimento anterior, los investigadores utilizaron las masas isotópicas separadas en línea, o instalación Isolde, en el CERN, en Ginebra, Suiza, para producir pequeñas cantidades de isótopos RAF.

La instalación alberga haces de protones de baja energía, que el equipo dirigió hacia un objetivo de discos de carburo de uranio del tamaño de medio dólar, que también inyectaron en un gas de fluoruro de carbono. Las reacciones químicas subsiguientes produjeron un zoológico de moléculas, incluida la RAF, que el equipo separó utilizando un sistema preciso de láseres, campos electromagnéticos y trampa de iones.

Los investigadores midieron la masa de cada molécula para estimar el número de neutrones en el núcleo de la radio de una molécula. Luego clasificaron las moléculas por isótopos de acuerdo con su número de neutrones.

Al final, clasificaron grupos 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 de cantidad de cada molécula.

“Imagínese una molécula vibrando como dos bolas en el resorte, con una cierta cantidad de energía”, explica Udrescu, estudiante de posgrado del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT. “Si cambia la cantidad 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 una creara una diferencia de energía. , pero lo hizo. 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 los rayos del sol. En comparación, ver ciertos efectos de la violación de la simetría sería como ver cómo el ancho de un solo cabello humano alteraría los rayos del sol.

Los resultados demuestran que las moléculas radiactivas como RAF son ultrasensibles a los efectos nucleares, y que su sensibilidad probablemente puede revelar efectos más sutiles, nunca antes vistos, como pequeñas propiedades nucleares que violan la simetría, que podrían ayudar a explicar la materia del universo. -asimetría anti-material.

“Estas moléculas radiactivas son muy pesadas y tienen una sensibilidad especial a los fenómenos nucleares que no podemos ver en otras moléculas de la naturaleza”, dice Udrescu. “Esto muestra que cuando comenzamos a buscar efectos que violen la simetría, tenemos una alta probabilidad de verlos en estas moléculas”.

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