Ραδιενεργά μόρια και θεμελιώδεις συμμετρίες του σύμπαντος

Μόρια που προκύπτουν από την αντίδραση ιόντων ραδίου με μόρια μεθανόλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της παραβίασης της συμμετρίας CP. Η παραβίαση αυτής της συμμετρίας εξηγεί την ανισορροπία ύλης – αντιύλης του σύμπαντος.

Αν οι νόμοι της φυσικής ήταν απόλυτα συμμετρικοί, η ύλη και η αντιύλη θα είχαν δημιουργηθεί σε ίσες ποσότητες μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Όμως, το ορατό σύμπαν αποτελείται από ύλη, με την αντιύλη να αποτελεί πολύ μικρό κλάσμα, η αναλογία ύλης-αντιύλης ισούται με ένα δισεκατομμυριοστό περίπου. Η ερμηνεία αυτής της ανισορροπίας μεταξύ ύλης και αντιύλης αποτελεί ένα από τα ανοιχτά προβλήματα στη φυσική.

Οι φυσικοί έχουν εκτελέσει πολλά πειράματα που έδειξαν μεν παραβιάσεις θεμελιωδών συμμετριών, αλλά ήταν πολύ μικρές για να εξηγήσουν την κοσμική ανισορροπία.

Δυο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών αναφέρουν σημαντικά βήματα στην προσέγγιση του ελέγχου της παραβίασης θεμελιωδών συμμετριών διαμέσου των φασμάτων πολικών και ραδιενεργών μορίων. Οι πειραματικοί Fan et al παρουσίασαν μια μέθοδο βασισμένη σε λέιζερ για την δημιουργία και την ταυτοποίηση μορίων που περιέχουν ισότοπα ραδίου. Ταυτόχρονα οι Yu και Hutzler πραγματοποίησαν μια λεπτομερή θεωρητική μελέτη αυτών μορίων, δείχνοντας ότι είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι ‘ανιχνευτές θεμελιωδών συμμετριών’.

Απαραίτητη προϋπόθεση για την δημιουργία ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης είναι η παραβίαση της συμμετρίας συζυγίας φορτίου C και της συμμετρίας της ομοτιμίας P – πιο σύντομα της συμμετρίας CP). H συμμετρία CP σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι αν ένα σωματίδιο αντικατασταθεί με το αντίστοιχο αντισωματίδιο ενώ οι χωρικές συντεταγμένες αναστρέφονται. Κάποιο επίπεδο παραβίασης CP προβλέπεται από το καθιερωμένο πρότυπο φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων και παρατηρήθηκε  πειραματικά σε διασπάσεις μεσονίων Β και D. Τα πειράματα έδειξαν επίσης παραβίαση της CP στις ταλαντώσεις νετρίνων. Όμως απαιτούνται ισχυρότερες παραβιάσεις για να εξηγηθεί η ανισσοροπία υλης-αντιύλης στο σύμπαν, οπότε οι φυσικοί αναζητούν νέες πηγές παραβίασης της CP  ή ισοδύναμα της παραβίασης αντιστροφής χρόνου Τ (δεδομένου ότι θεωρούμε ότι η ο συνδυασμός των συμμετριών CPT αποτελεί μια ακριβή συμμετρία του σύμπαντος).

Θεωρητικές μελέτες δείχνουν ότι μόρια που περιέχουν έναν ή περισσότερους ραδιενεργούς πυρήνες μπορούν να προσφέρουν μια άνευ προηγουμένου ευαισθησία σε παραβιάσεις συμμετρίας. Οι δυνάμεις παραβίασης συμμετρίας CP στους πυρήνες των μορίων μπορούν να παράγουν μια συλλογική ηλεκτρική διπολική ροπή που με τη σειρά της προκαλεί μετατόπιση της κατανομής ηλεκτρικού φορτίου στα άτομα και μόρια – την επονομαζόμενη ροπή Schiff [ [φαινόμενο που μελέτησε ο Leonard I. Schiff, γνωστός από το βιβλίο του ‘Κβαντική Μηχανική], η οποία με την σειρά της μπορεί να προκαλέσει μετρήσιμες μεταβολές στις ενεργειακές στάθμες του μορίου. Αυτό το φαινόμενο ενισχύεται δραματικά σε πυρήνες με οκταπολική παραμόρφωση όπως το ράδιο-225, το οποίο έχει ατομικό αριθμό Ζ=88 και πυρήνα σε σχήμα αχλαδιού

Τα μόρια που περιέχουν αυτά τα ισότοπα, όπως το RaOH+, είναι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για τον εντοπισμό των φαινομένων της μετατόπισης Schiff. Όμως, οι πυρήνες όπως το ράδιο-225 έχουν μικρό χρόνο ζωής και μπορούν να παραχθούν μόνο σε μικρές ποσότητες. Και γι αυτό τα πειράματα με μόρια που περιέχουν τέτοιους σπάνιους πυρήνες είναι ελάχιστα.

Ο Fan και οι συνεργάτες του στην εργασία τους με τίτλο «Optical Mass Spectrometry of Cold RaOH+ and RaOCH3+» παρουσίασαν μια νέα μέθοδο για την δημιουργία και ταυτοποίηση ραδιενεργών μορίων. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία παγιδεύουν ιόντα Ra+, που έχουν ψυχθεί με λέιζερ, τα οποία στη συνέχεια αναμιγνύονται με ατμούς μεθανόλης. Με τον τρόπο αυτό πραγματοποιείται μια χημική αντίδραση που παράγει μόρια RaOH+ ή RaOCH3+. Μερικά από αυτά τα φορτισμένα μόρια, μαζί με ιόντα Ra+ που έχουν ψυχθεί με λέιζερ, σχηματίζουν μια διατεταγμένη δομή που ονομάζεται κρύσταλλος Coulomb. Όμως ο εντοπισμός αυτών των νέων μοριακών ενώσεων δεν είναι εύκολος. Δεδομένου ότι οι ενέργειες μετάβασης είναι άγνωστες και αναμένεται να είναι διαφορετικές από αυτές του απλού ιόντος Ra+, τα μόρια δεν μπορούν ακόμη να αναγνωριστούν άμεσα από τις χαρακτηριστικές φασματικές τους υπογραφές.

Για να ξεπεράσουν αυτήν την πρόκληση ανίχνευσης, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια καθαρά οπτική μέθοδο που δεν καταστρέφει τα μόρια και μετρά τη συχνότητα με την οποία ο κρύσταλλος Coulomb ταλαντώνεται γύρω από τη θέση ισορροπίας του στην παγίδα ιόντων. Στη μέθοδο τους, το φως φθορισμού από τα ιόντα Ra+ συλλέγεται από έναν φωτοανιχνευτή τοποθετημένο σε σταθερή θέση. Έτσι, η κίνηση των ιόντων προκαλεί παροδικές μεταβολές στην παρατηρούμενη ένταση φωτός, με καθορισμένες κορυφές στο φάσμα συχνοτήτων του σήματος. Καθώς η κίνηση των ιόντων επηρεάζεται από την μάζα των παγιδευμένων μορίων, η μάζα των παραχθέντων μορίων μπορεί υπολογιστεί από τις μεταβολές των συχνοτήτων ταλάντωσης. Στην πρώτη επίδειξη της μεθόδου τους οι Fan et al χρησιμοποίησαν το ισότοπο ράδιο-226 που έχει με μεγάλο χρόνο ζωής και μέτρησαν, σε μόλις τρία δευτερόλεπτα, την μάζα του μορίου με μια αβεβαιότητα 0,12%.

Oι Yu και Hutzler στην εργασία τους με τίτλο «Probing Fundamental Symmetries of Deformed Nuclei in Symmetric Top Molecules» περιγράφουν την ab initio θεωρητική μελέτη του μορίου RaOCH3+ που παρατηρήθηκε πρόσφατα, υποθέτοντας ότι το ράδιο του μορίου είναι το ισότοπο με ατομικό αριθμό 225. Υπολόγισαν την ηλεκτρονική δομή του μορίου, εστιάζοντας σ’ αυτές τις υπερ-λεπτές καταστάσεις που θα έπρεπε να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες σε παραβιάσεις συμμετρίας CP. Οι υπολογισμοί τους έδειξαν ότι το μόριο RaOCH3+ προσφέρει μοναδικά πλεονεκτήματα για μετρήσεις ροπής Schif, διότι πολώνεται εύκολα με μικρά εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία. Οι Yu και Hutzler έδειξαν ότι η εξαιρετική ευαισθησία σε παραβιάσεις συμμετρίας θα μπορούσε να οδηγήσει σε παρατηρήσιμες μεταβολές στις μοριακές ενεργειακές στάθμες ακόμα και σε πειράματα με ένα μόνο παγιδευμένο μόριο.

Αυτές οι παράλληλες πειραματικές και θεωρητικές εξελίξεις εκφράζουν την μεγάλη πρόοδο σ’ ένα νέο και ταχύτατα αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας. Όμως πρέπει να ξεπεραστούν αρκετές πειραματικές προκλήσεις ώστε οι Fan  et al να εφαρμόσουν την μέθοδό τους στην παραγωγή και ταυτοποίηση μορίων που περιέχουν ράδιο-225. Η μέθοδος αυτή εκτός από την αποκάλυψη των παραβιάσεων συμμετριών του σύμπαντος, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί επίσης στην αναζήτηση νέων βαθμωτών πεδίων και σκοτεινής ύλης, αλλά και στην μελέτη αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων-πυρήνα σε μόρια που περιέχουν πυρήνες με ακραίο αριθμό πρωτονίων ή νετρονίων.

διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του Ronald F. Garcia Ruiz «Designer Molecules for Fundamental-Symmetry Tests»



Κατηγορίες:ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: