Forskare har länge försökt att experimentellt demonstrera en viss symmetriegenskap hos den svaga interaktionen - paritetskränkning - i molekyler. Än så länge, detta har inte varit möjligt. En ny tvärvetenskaplig insats som leds av en forskargrupp vid PRISMA+ Cluster of Excellence vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu visat en realistisk väg att demonstrera detta fenomen. Tillvägagångssättet inkluderar aspekter av kärnkraft, elementär partikel, atom- och molekylfysik samt kärnmagnetisk resonans (NMR). "Molekylär paritets icke -konservering i kärnspinnkopplingar" publiceras i det aktuella numret av tidskriften Physical Review Research.

Symmetrier är allestädes närvarande, i rymden och i molekylernas värld, atomer och elementära partiklar. De fyra grundläggande krafterna (elektromagnetism, allvar, och de starka och svaga kärnkraften) följer också vissa, kanske till synes abstrakt, symmetrier. Från Big Bang till idag, befintliga symmetrier bröts upprepade gånger. Symmetri och symmetribrytning återspeglas nödvändigtvis i de fysiska processerna och staterna som vi kan observera.

En av dessa symmetrier är spegelsymmetrin (symmetri med avseende på reflektion i rymden) - om den är trasig, forskarna talar om paritetskränkning. Enligt nuvarande kunskap, den svaga interaktionen är den enda bland de fyra grundläggande krafter som inte framstår som spegelsymmetriska:Endast i processer som är föremål för denna interaktion inträffar paritetsbrott. "Eftersom den svaga interaktionen nästan inte spelar någon roll i vår vardagliga upplevelse - tyngdkraften och elektromagnetismen dominerar här - motsäger fenomenet paritetsbrott vår normala idé och är därför svår att förstå, säger Dr John Blanchard, huvudförfattare till studien. "Paritetsbrott i den svaga interaktionen förutspåddes därför endast teoretiskt på 1950-talet och upptäcktes kort därefter i vissa kärnkrafts- och elementära partikelförfall. Paritetsbrytande processer har aldrig upptäckts i molekyler, även om teoretiska beräkningar förutsäger att de borde finnas där. Slutgiltiga bevis på sådana subtila effekter är, så att säga, en helig graal av precisionsmätningsfysik. "

Många försök har gjorts att experimentellt observera effekterna av paritetsbrott i molekyler. Ett exempel är växelverkan mellan snurren i olika atomkärnor i en molekyl. I tur och ordning, dessa kan i princip detekteras och analyseras med hjälp av kärnmagnetiska resonansmetoder (NMR). Medan teamet av forskare redan har utvecklat ett lovande tillvägagångssätt för kirala molekyler i ett tidigare arbete (doi.org/10.1103/PhysRevA.96.042119), deras nuvarande publikation fokuserar på enkla molekyler som består av så få som två atomer. För det första, de identifierar en speciell NMR-mätvariabel (en specifik spin-spin-koppling) på grundval av vilken paritetsöverträdelsen visas och utför komplexa teoretiska analyser för att beräkna den förväntade effekten inom molekylen. Dessa beräkningar utfördes i nära samarbete med medförfattaren till studien, Professor Mikhail G. Kozlov från Nuclear Physics Institute i Sankt Petersburg, Ryssland, som Mainz -gruppen har arbetat mycket framgångsrikt med i många år.

Bygga på detta, forskarna föreslår ett speciellt experiment som ska vara tillräckligt känsligt för att detektera de beräknade signalerna:"Den så kallade ZULF (noll till ultralåga fältet) NMR-metoden är en exotisk teknik som vi redan använde för mörk materia framgångsrikt, "förklarar professor Dr. Dmitry Budker, också författare till studien. "Det erbjuder ett system där nukleära snurr interagerar med varandra mer än med ett externt magnetfält. På detta sätt, det möjliggör direkt mätning av antisymmetriska spin-spin-kopplingar, som är avskurna i konventionella högfält-NMR-experiment. "

"Våra resultat visar ett elegant sätt att kvantitativt undersöka den svaga interaktionen i molekyler och atomkärnor, "avslutar Dr Blanchard." Resultaten av vår förstudie är mycket lovande - vi hoppas snart få experimentell verifiering av icke -konservering av molekylär paritet. "