Neue Hinweise, warum es im Universum so wenig Antimaterie gibt

Stellen Sie sich ein Staubpartikel in einer Gewitterwolke vor, und Sie können sich ein Bild von der Bedeutungslosigkeit eines Neutrons im Vergleich zur Größe des Partikels machen, in dem es lebt.

Aber genauso wie ein Staubkorn die Bahn einer Wolke beeinflussen kann, kann ein Neutron die Energie seines Moleküls beeinflussen, obwohl es weniger als ein Millionstel seiner Größe hat. Jetzt haben Physiker am MIT und anderswo erfolgreich die Wirkung eines winzigen Neutrons auf ein radioaktives Molekül gemessen.

Das Team hat eine neue Technik zur Herstellung und Untersuchung kurzlebiger radioaktiver Teilchen mit genau kontrollierten Neutronenzahlen entwickelt. Sie wählten manuell mehrere Isotope desselben Moleküls aus, von denen jedes ein Neutron mehr enthält als das andere. Als sie die Energie jedes Moleküls maßen, konnten sie kleine, kaum wahrnehmbare Veränderungen der Kerngröße aufgrund des Einflusses eines einzelnen Neutrons feststellen.

Die Tatsache, dass sie so kleine nukleare Effekte sehen konnten, legt nahe, dass Wissenschaftler nun die Möglichkeit haben, nach solchen radioaktiven Teilchen nach subtileren Effekten zu suchen, die beispielsweise durch dunkle Materie oder durch die Auswirkungen neuer Quellen von Symmetrieverletzungen verursacht werden mit einigen verwandt. der aktuellen Geheimnisse des Universums.

„Wenn die Gesetze der Physik die gleichen sind, wie wir denken, dann hätte der Urknall Materie und Antimaterie in der gleichen Menge erschaffen müssen. Die Tatsache, dass das meiste, was wir sehen, Materie ist und es nur einen Teil pro Milliarde Materie gibt, sagt Ronald Fernando García Ruiz, außerordentlicher Professor für Physik am MIT. Tech: „Antimaterie bedeutet, dass die grundlegendsten Symmetrien in der Physik auf eine Weise verletzt werden, die wir mit allem, was wir wissen, nicht erklären können.“

„Wir haben jetzt die Möglichkeit, diese Symmetrieverletzungen zu messen, indem wir diese schweren radioaktiven Teilchen verwenden, die sehr empfindlich auf nukleare Phänomene reagieren, die wir in anderen Molekülen in der Natur nicht sehen können“, sagt er. „Dies könnte Antworten auf eines der Haupträtsel der Entstehung des Universums liefern.“

Ruiz und Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse heute in physische Überprüfungsnachrichten.

Die meisten Atome in der Natur haben einen symmetrischen kugelförmigen Kern, in dem Neutronen und Protonen gleichmäßig verteilt sind. Aber in einigen radioaktiven Elementen wie Radium sind Atomkerne seltsam birnenförmig, mit einer ungleichmäßigen Verteilung von Neutronen und Protonen im Inneren. Physiker vermuten, dass diese Verzerrung der Form die Verletzung der Symmetrien verstärken kann, die den Ursprung der Materie im Universum gegeben haben.

„Radionuklei können uns leicht ermöglichen, diese antisymmetrischen Effekte zu sehen“, sagt Studienleiterin Silviu-Marian Udrescu, eine Doktorandin am Institut für Physik des MIT. „Der Nachteil ist, dass sie sehr instabil sind und nur eine sehr kurze Zeit leben. Daher brauchen wir sensible Methoden, um sie schnell zu produzieren und zu erkennen.“

Anstatt zu versuchen, radioaktive Kerne selbst zu identifizieren, steckte das Team sie in ein Molekül, das die Empfindlichkeit gegenüber Symmetrieverletzungen erhöht. Radioaktive Partikel bestehen aus mindestens einem radioaktiven Atom, das an ein oder mehrere andere Atome gebunden ist. Jedes Atom ist von einer Elektronenwolke umgeben, die zusammen ein extrem hohes elektrisches Feld im Molekül erzeugen, von dem Physiker glauben, dass es mikronukleare Effekte wie die der Symmetrieverletzung verstärken kann.

Abgesehen von einigen astrophysikalischen Prozessen, wie der Verschmelzung von Neutronensternen, Sternexplosionen, existieren jedoch keine interessierenden radioaktiven Teilchen in der Natur und müssen daher künstlich erzeugt werden. García Ruiz und seine Kollegen haben Techniken zur Herstellung radioaktiver Partikel im Labor verbessert und ihre Eigenschaften genau untersucht. Letztes Jahr berichteten sie über eine Methode zur Herstellung von Molekülen aus Radiummonofluorid oder RaF, einem radioaktiven Molekül, das ein instabiles Radiumatom und ein Fluoridatom enthält.

In ihrer neuen Studie verwendete das Team ähnliche Techniken, um RaF-Isotope oder Kopien eines mit unterschiedlichen Neutronenzahlen radioaktiven Moleküls herzustellen. Wie in ihrem vorherigen Experiment verwendeten die Forscher den Online-Isotopen-Massenseparator oder ISOLDE am CERN in Genf, Schweiz, um kleine Mengen an RaF-Isotopen herzustellen.

Die Anlage enthielt einen niederenergetischen Protonenstrahl, den das Team auf ein Ziel zielte – eine Halb-Dollar-Scheibe aus Urankarbid, in die Kohlenstofffluoridgas injiziert wurde. Die folgenden chemischen Reaktionen erzeugten einen Zoo von Molekülen, darunter RaF, die das Team mit einem präzisen System aus Lasern, elektromagnetischen Feldern und Ionenfallen trennte.

Die Forscher maßen die Masse jedes Moleküls, um die Anzahl der Neutronen im Radiumkern des Moleküls abzuschätzen. Dann sortierten sie die Teilchen nach Isotopen, entsprechend ihrer Neutronenzahlen.

Am Ende haben sie Gruppen von fünf verschiedenen Isotopen von RaF aussortiert, von denen jedes mehr Neutronen trägt als das andere. Mit einem separaten Lasersystem maß das Team die Quantenniveaus jedes Moleküls.

„Stellen Sie sich ein Molekül vor, das wie zwei Kugeln auf einer Feder mit einer bestimmten Energiemenge schwingt“, erklärt Odriscu, ein Doktorand am Nuclear Science Laboratory des MIT. „Wenn Sie die Anzahl der Neutronen in einer dieser Kugeln ändern, kann sich die Energiemenge ändern. Aber ein einzelnes Neutron ist 10 Millionen Mal kleiner als ein Molekül, und mit unserer derzeitigen Genauigkeit haben wir nicht erwartet, dass eine einzige Änderung dies bewirken würde Unterschiedsenergie, aber sie tat es. Und wir konnten diesen Effekt deutlich sehen. „.

Udrescu vergleicht die Empfindlichkeit der Messungen mit der Fähigkeit zu sehen, wie der Mount Everest, der sich auf der Sonnenoberfläche befindet, den Sonnenradius verändern kann. Im Vergleich dazu ist das Sehen bestimmter Auswirkungen einer Symmetrieverletzung so, als würde man sehen, wie die Breite eines einzelnen menschlichen Haares den Radius der Sonne verändert.

Die Ergebnisse zeigen, dass radioaktive Teilchen wie RaF sehr empfindlich auf nukleare Effekte reagieren und ihre Empfindlichkeit wahrscheinlich subtilere, nie zuvor gesehene Effekte aufdecken könnte, wie zum Beispiel kleine nukleare Eigenschaften, die die Symmetrie verletzen, was zur Erklärung der Antimaterie im Universum beitragen könnte. Asymmetrie

„Diese radioaktiven Teilchen sind besonders schwer und empfindlich gegenüber nuklearen Phänomenen, die wir bei anderen Teilchen in der Natur nicht sehen können“, sagt Odriscu. „Dies zeigt, dass wir eine hohe Wahrscheinlichkeit haben, diese in diesen Molekülen zu sehen, wenn wir nach den Auswirkungen einer Symmetrieverletzung suchen.“

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Diese Forschung wurde teilweise vom Office of Nuclear Physics des US-Energieministeriums unterstützt. Misty Global Seed Funds; Europäischer Forschungsrat; Belgisches Forschungsprogramm FWO Vlaanderen und BriX IAP; Deutsche Forschungsgemeinschaft; UK Science and Technology Facilities Council und das Ernest Rutherford Fellowship.