Forskare vid MIT och på andra håll har kombinerat kraften hos en superkolliderare med tekniker för laserspektroskopi för att exakt mäta en kortlivad radioaktiv molekyl, radiummonofluorid, för första gången.

Precisionsstudier av radioaktiva molekyler öppnar upp möjligheter för forskare att söka efter ny fysik bortom standardmodellen, såsom fenomen som bryter mot vissa grundläggande symmetrier i naturen, och att leta efter tecken på mörk materia. Teamets experimentella teknik kan också användas för att utföra laboratoriestudier av radioaktiva molekyler som produceras i astrofysiska processer.

"Våra resultat banar väg för högprecisionsstudier av kortlivade radioaktiva molekyler, som skulle kunna erbjuda ett nytt och unikt laboratorium för forskning inom grundläggande fysik och andra områden, " säger studiens huvudförfattare, Ronald Fernando Garcia Ruiz, biträdande professor i fysik vid MIT.

Garcia Ruiz kollegor inkluderar Alex Brinson, en MIT doktorand, tillsammans med ett internationellt team av forskare som arbetar vid CERN, Europeiska organisationen för kärnkraftsforskning, i Genève. Resultaten publiceras idag i tidskriften Natur .

Reverseringstid

Den enklaste molekylen är gjord av två atomer, var och en med en kärna som består av ett visst antal protoner och neutroner som gör en atom tyngre än den andra. Varje kärna är omgiven av ett moln av elektroner. I närvaro av ett elektriskt fält, dessa elektroner kan omfördelas för att skapa ett extremt stort elektriskt fält inom molekylen.

Fysiker har använt molekyler och deras elektriska fält som miniatyrlaboratorier för att studera de grundläggande egenskaperna hos elektroner och andra subatomära partiklar. Till exempel, när en bunden elektron interagerar med molekylens elektriska fält, dess energi kan förändras som ett resultat, som forskare kan mäta för att sluta sig till elektronens egenskaper, såsom dess elektrostatiska dipolmoment, som ger ett mått på dess avvikelse från en sfärisk form.

Enligt standardmodellen för partikelfysik, elementarpartiklar bör vara ungefär sfäriska, eller har ett försumbart elektrostatiskt dipolmoment. Om, dock, ett permanent elektriskt dipolmoment för en partikel eller ett system existerar, detta skulle innebära att vissa processer i naturen inte är så symmetriska som fysiker hade antagit.

Till exempel, fysiker tror att de flesta grundläggande fysikens lagar bör förbli oförändrade med tidens riktning - en princip som kallas tidsomkastningssymmetri. Det är, oavsett om tiden går framåt eller bakåt, allvar, till exempel, bör få en boll att falla från en klippa, eller rulla tillbaka, längs samma väg i hastighet och rymd. Om, dock, en elektron är inte perfekt sfärisk, detta skulle indikera att tidsomkastningssymmetri är felaktig. Denna kränkning skulle ge ett välbehövligt villkor för att förklara varför det finns mer materia än antimateria i vårt universum.

Genom att studera en elektrons interaktioner med mycket starka elektriska fält, forskare kan ha en chans att exakt mäta sina elektriska dipolmoment. I vissa molekyler, ju tyngre deras atomer, ju starkare deras inre elektriska fält. Radioaktiva molekyler - de som innehåller minst en instabil kärna - kan skräddarsys för att maximera sina inre elektriska fält. Dessutom, tunga radioaktiva kärnor kan ha päronliknande former, som kan förstärka deras symmetriöverträdande egenskaper.

På grund av deras höga elektriska fält och unika nukleära former, radioaktiva molekyler skulle göra naturliga laboratorier där man kan undersöka inte bara elektronens struktur, men också symmetriskränkande kärnegenskaper. Men dessa molekyler är kortlivade, och forskare har inte kunnat fastställa dem.

"Dessa radioaktiva molekyler är mycket sällsynta i naturen och några av dem kan inte hittas på vår planet, men kan förekomma rikligt i astrofysiska processer som stjärnexplosioner, eller sammanslagningar av neutronstjärnor, " säger Garcia Ruiz. "Så vi måste göra dem på konstgjord väg, och de största utmaningarna har varit att de bara kan tillverkas i små mängder vid höga temperaturer, och kan vara mycket kortlivad."

En nål i mörkret

Teamet letade efter ett sätt att göra radiummonofluorid, eller RaF – en radioaktiv molekyl som innehåller en mycket tung, instabil radiumatom, och en fluoridatom. Denna molekyl är av särskilt intresse eftersom vissa isotoper i radiumkärnan i sig är asymmetriska, liknar ett päron, med mer massa på ena änden av kärnan än den andra.

Vad mer, teoretiker hade förutspått att energistrukturen hos radiummonofluorid skulle göra molekylen mottaglig för laserkylning, en teknik som använder lasrar för att sänka temperaturen på molekyler, och sakta ner dem tillräckligt för att utföra precisionsstudier. Medan de flesta molekyler har många energitillstånd som de kan uppta, med ett stort antal vibrations- och rotationstillstånd, det visar sig att radiummonofluorid gynnar elektroniska övergångar mellan några få huvudenerginivåer - en ovanligt enkel molekyl att kontrollera, med hjälp av laserkylning.

Teamet kunde mäta molekyler av RaF genom att först göra små mängder av molekylen med hjälp av CERNs Isotope mass Separator On-Line, eller ISOLDE-anläggning vid CERN, som de sedan manipulerade och studerade med lasrar med hjälp av experimentet Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS).

I deras experiment, forskarna använde CERNs Proton Synchrotron Booster, en serie ringar som tar emot protoner från en partikelaccelerator och accelererar protonerna. Teamet avfyrade dessa protoner mot ett mål gjord av urankarbid, vid så höga energier att anfallet förstörde uran, producerar en skur av protoner och neutroner som blandas för att bilda en blandning av radioaktiva kärnor, inklusive radium.

Forskarna injicerade sedan en gas av koltetrafluorid, som reagerade med radium för att göra laddade, eller joniska molekyler av radiummonofluorid, som de separerade från resten av uranets biprodukter genom ett system av massseparerande magneter. De satte sedan fast molekylerna i en jonfälla och omgav dem med heliumgas, som kylde ner molekylerna tillräckligt för att forskarna skulle kunna mäta dem.

Nästa, teamet mätte molekylerna genom att återaccelerera och föra dem genom CRIS-uppställningen, där jonmolekylerna interagerade med natriumatomer som gav en elektron till varje molekyl för att neutralisera strålen av molekyler under flygning. De neutrala molekylerna fortsatte sedan genom ett interaktionsområde, där forskarna också lyste två laserstrålar - en röd, den andra blå.

Teamet ställde in den röda laserns frekvens upp och ner, och fann att lasern vid vissa våglängder resonerade med molekylerna, excitera en elektron i molekylen till en annan energinivå, så att den blå lasern då hade tillräckligt med energi för att ta bort elektronen från molekylen. De resonant exciterade molekylerna, gjorde jonisk igen, avböjdes och samlades upp på en partikeldetektor, låter forskarna mäta, för första gången, deras energinivåer, och de associerade molekylära egenskaperna som visar att strukturen hos dessa molekyler verkligen är gynnsam för laserkylning.

"Före våra mätningar, alla energinivåer för dessa molekyler var okända, " säger Garcia Ruiz. "Det här har varit som att försöka hitta en nål i ett mörkt rum, många hundra meter breda. Nu när vi har hittat nålen, vi kan mäta egenskaperna hos den nålen och börja leka med den."