Tänk dig en dammpartikel i ett stormmoln, och du kan få en uppfattning om en neutrons obetydlighet jämfört med storleken på molekylen den lever i.

Men precis som en dammfläns kan påverka ett molns spår, en neutron kan påverka molekylens energi trots att den är mindre än en miljonedel av dess storlek. Och nu har fysiker vid MIT och på andra håll framgångsrikt mätt en neutrons lilla effekt i en radioaktiv molekyl.

Teamet har utvecklat en ny teknik för att producera och studera kortlivade radioaktiva molekyler med neutronnummer som de exakt kan styra. De handplockade flera isotoper av samma molekyl, var och en med en neutron mer än nästa. När de mätte varje molekyls energi, de kunde upptäcka små, nästan omärkliga förändringar av kärnkraftsstorleken, på grund av effekten av en enda neutron.

Det faktum att de kunde se så små kärnkraftseffekter tyder på att forskare nu har en chans att söka i sådana radioaktiva molekyler efter ännu subtilare effekter, orsakad av mörk materia, till exempel, eller genom effekterna av nya källor till symmetriöverträdelser relaterade till några av universums nuvarande mysterier.

"Om fysikens lagar är symmetriska som vi tror att de är, då borde Big Bang ha skapat materia och antimateria i samma mängd. Det faktum att det mesta vi ser är viktigt, och det finns bara ungefär en del per miljard antimateria, betyder att det är en kränkning av fysikens mest grundläggande symmetrier, på ett sätt som vi inte kan förklara med allt vi vet, "säger Ronald Fernando Garcia Ruiz, biträdande professor i fysik vid MIT.

"Nu har vi en chans att mäta dessa symmetriöverträdelser, använder dessa tunga radioaktiva molekyler, som har extrem känslighet för kärnfenomen som vi inte kan se i andra molekyler i naturen, "säger han." Det kan ge svar på ett av de viktigaste mysterierna om hur universum skapades. "

Ruiz och hans kollegor har publicerat sina resultat idag i Fysiska granskningsbrev .

En speciell asymmetri

De flesta atomer i naturen har en symmetrisk, sfärisk kärna, med neutroner och protoner jämnt fördelade i hela. Men i vissa radioaktiva element som radium, atomkärnor är konstigt päronformade, med en ojämn fördelning av neutroner och protoner inom. Fysiker antar att denna formförvrängning kan öka kränkningen av symmetrier som gav upphov till materia i universum.

"Radioaktiva kärnor kan tillåta oss att enkelt se dessa symmetriöverträdande effekter, "säger studieförfattaren Silviu-Marian Udrescu, en doktorand vid MIT:s fysiska institution. "Nackdelen är, de är väldigt instabila och lever under mycket kort tid, så vi behöver känsliga metoder för att producera och upptäcka dem, snabb."

Istället för att försöka fästa ned radioaktiva kärnor på egen hand, laget placerade dem i en molekyl som ytterligare förstärker känsligheten för symmetriöverträdelser. Radioaktiva molekyler består av minst en radioaktiv atom, bunden till en eller flera andra atomer. Varje atom är omgiven av ett moln av elektroner som tillsammans genererar ett extremt högt elektriskt fält i molekylen som fysiker tror kan förstärka subtila kärneffekter, såsom effekter av symmetriöverträdelse.

Dock, bortsett från vissa astrofysiska processer, som att slå samman neutronstjärnor, och stjärn explosioner, de radioaktiva molekylerna av intresse finns inte i naturen och måste därför skapas artificiellt. Garcia Ruiz och hans kollegor har förfinat tekniker för att skapa radioaktiva molekyler i laboratoriet och exakt studera deras egenskaper. Förra året, de rapporterade om en metod för att producera molekyler av radiummonofluorid, eller RaF, en radioaktiv molekyl som innehåller en instabil radiumatom och en fluoridatom.

I deras nya studie, laget använde liknande tekniker för att producera RaF -isotoper, eller versioner av den radioaktiva molekylen med varierande antal neutroner. Som de gjorde i sitt tidigare experiment, forskarna använde Isotop mass Separator On-Line, eller ISOLDE, anläggning på CERN, i Genève, Schweiz, för att producera små mängder RaF -isotoper.

Anläggningen rymmer en lågenergiprotonstråle, som teamet riktade mot ett mål-en skiva urankarbid i storlek på en halv dollar, på vilken de också injicerade en kolfluoridgas. De efterföljande kemiska reaktionerna gav en zoo av molekyler, inklusive RaF, som laget separerade med ett exakt lasersystem, elektromagnetiska fält, och jonfällor.

Forskarna mätte varje molekyls massa för att uppskatta antalet neutroner i en molekyls radiumkärna. De sorterade sedan molekylerna efter isotoper, enligt deras neutronnummer.

I slutet, de sorterade ut klasar med fem olika isotoper av RaF, var och en har fler neutroner än nästa. Med ett separat system av lasrar, laget mätte kvantnivåerna för varje molekyl.

"Tänk dig en molekyl som vibrerar som två bollar på en fjäder, med en viss mängd energi, "förklarar Udrescu, som är doktorand vid MIT:s laboratorium för kärnvetenskap. "Om du ändrar antalet neutroner i en av dessa bollar, energimängden kan förändras. Men en neutron är 10 miljoner gånger mindre än en molekyl, och med vår nuvarande precision förväntade vi oss inte att byte av en skulle skapa en energiskillnad, men det gjorde det. Och vi kunde tydligt se denna effekt. "

Udrescu jämför mätningens känslighet med att kunna se hur Mount Everest, placerad på solens yta, skulle kunna, dock minutiöst, ändra solens radie. Som jämförelse, att se vissa effekter av symmetriöverträdelse skulle vara som att se hur bredden på ett enda människohår skulle förändra solens radie.

Resultaten visar att radioaktiva molekyler som RaF är ultrakänsliga för kärnkraftseffekter och att deras känslighet sannolikt kan avslöja mer subtil, aldrig tidigare sett effekter, såsom små symmetri-kränkande kärnkraftsegenskaper, som kan hjälpa till att förklara universums materia-antimateriella asymmetri.

"Dessa mycket tunga radioaktiva molekyler är speciella och har känslighet för kärnfenomen som vi inte kan se i andra molekyler i naturen, "Säger Udrescu." Detta visar att när vi börjar leta efter symmetriöverträdande effekter, vi har stor chans att se dem i dessa molekyler. "