Tecnologia Científica
Novas pistas sobre por que hátão pouca antimatéria no universo
Os pesquisadores mediram a massa de cada molanãcula para estimar o número de naªutrons no núcleo de ra¡dio de uma molanãcula. Eles então classificaram as moléculas por isãotopos, de acordo com seus números de naªutrons.
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Jennifer Chu - 07/07/2021
Domanio paºblico
Imagine uma partacula de poeira em uma nuvem de tempestade e vocêtera¡ uma ideia da insignifica¢ncia de um naªutron em comparação com a magnitude da molanãcula que ele habita.
Mas assim como uma partacula de poeira pode afetar a trilha de uma nuvem, um naªutron pode influenciar a energia de sua molanãcula, apesar de ter menos de um milionanãsimo de seu tamanho. E agora os fasicos do MIT e de outros lugares mediram com sucesso o minaºsculo efeito de um naªutron em uma molanãcula radioativa.
A equipe desenvolveu uma nova técnica para produzir e estudar moléculas radioativas de vida curta com números de naªutrons que podem controlar com precisão. Eles escolheram a dedo vários isãotopos da mesma molanãcula, cada um com um naªutron a mais do que o outro. Ao medir a energia de cada molanãcula, eles foram capazes de detectarmudanças pequenas, quase imperceptaveis, do tamanho do núcleo, devido ao efeito de um aºnico naªutron.
"Se as leis da física são simanãtricas como pensamos que são, então o Big Bang deveria ter criado matéria e antimatéria na mesma quantidade. O fato de que a maior parte do que vemos ématéria, e hápenas cerca de uma parte por bilha£o de antimatéria, significa que háuma violação das simetrias mais fundamentais da física, de uma forma que não podemos explicar com tudo o que sabemos ",
 Ronald Fernando Garcia Ruiz,
O fato de terem sido capazes de ver esses pequenos efeitos nucleares sugere que os cientistas agora tem a chance de pesquisar essas moléculas radioativas em busca de efeitos ainda mais sutis, causados ​​pela matéria escura , por exemplo, ou pelos efeitos de novas fontes de violações de simetria relacionadas a alguns dos mistanãrios atuais do universo.
"Se as leis da física são simanãtricas como pensamos que são, então o Big Bang deveria ter criado matéria e antimatéria na mesma quantidade. O fato de que a maior parte do que vemos ématéria, e hápenas cerca de uma parte por bilha£o de antimatéria, significa que háuma violação das simetrias mais fundamentais da física, de uma forma que não podemos explicar com tudo o que sabemos ", diz Ronald Fernando Garcia Ruiz, professor assistente de física do MIT.
"Agora temos a chance de medir essas violações de simetria, usando essas moléculas radioativas pesadas, que tem extrema sensibilidade a fena´menos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza", diz ele. "Isso poderia fornecer respostas para um dos principais mistanãrios de como o universo foi criado."
Ruiz e seus colegas publicaram seus resultados hoje na Physical Review Letters .
Uma assimetria especial
A maioria dos a¡tomos na natureza hospeda um núcleo simanãtrico e esfanãrico, com naªutrons e pra³tons uniformemente distribuados. Mas em certos elementos radioativos como o ra¡dio, os núcleos ata´micos tem a forma estranha de uma paªra, com uma distribuição desigual de naªutrons e pra³tons em seu interior. Os fasicos levantam a hipa³tese de que essa distorção da forma pode aumentar a violação das simetrias que deram origem a matéria no universo.
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"Os núcleos radioativos podem nos permitir ver facilmente esses efeitos que violam a simetria", disse o principal autor do estudo, Silviu-Marian Udrescu, um estudante graduado do Departamento de Fasica do MIT. "A desvantagem éque eles são muito insta¡veis ​​e vivem por um período muito curto de tempo, então precisamos de manãtodos sensaveis para produzi-los e detecta¡-los rapidamente."
Em vez de tentar localizar núcleos radioativos por conta própria, a equipe os colocou em uma molanãcula que amplifica ainda mais a sensibilidade a s violações de simetria. As moléculas radioativas consistem em pelo menos um a¡tomo radioativo, ligado a um ou mais outros a¡tomos. Cada a¡tomo écercado por uma nuvem de elanãtrons que, juntos, geram um campo elanãtrico extremamente alto na molanãcula que os fasicos acreditam poder amplificar efeitos nucleares sutis, como efeitos de violação de simetria.
No entanto, além de certos processos astrofisicos, como fusão de estrelas de naªutrons e explosaµes estelares, as moléculas radioativas de interesse não existem na natureza e, portanto, devem ser criadas artificialmente. Garcia Ruiz e seus colegas vão refinando técnicas para criar moléculas radioativas em laboratório e estudar com precisão suas propriedades. No ano passado, eles relataram um manãtodo para produzir moléculas de monofluoreto de ra¡dio, ou RaF, uma molanãcula radioativa que contanãm um a¡tomo de ra¡dio insta¡vel e um a¡tomo de fluoreto.
Em seu novo estudo, a equipe usou técnicas semelhantes para produzir isãotopos RaF, ou versaµes da molanãcula radioativa com vários números de naªutrons. Como fizeram em seu experimento anterior, os pesquisadores utilizaram o Isotope mass Separator On-Line, ou ISOLDE, instalação do CERN, em Genebra, Suaa§a, para produzir pequenas quantidades de isãotopos RaF.
A instalação abriga um feixe de pra³tons de baixa energia, que a equipe direcionou para um alvo - um disco do tamanho de meio da³lar de carboneto de ura¢nio, no qual eles também injetaram um gás de fluoreto de carbono. As reações químicas que se seguiram produziram um zoola³gico de molanãculas, incluindo RaF, que a equipe separou usando um sistema preciso de lasers, campos eletromagnanãticos e armadilhas de aons.
Os pesquisadores mediram a massa de cada molanãcula para estimar o número de naªutrons no núcleo de ra¡dio de uma molanãcula. Eles então classificaram as moléculas por isãotopos, de acordo com seus números de naªutrons.
No final, eles separaram grupos de cinco diferentes isãotopos de RaF, cada um contendo mais naªutrons do que o outro. Com um sistema separado de lasers, a equipe mediu os naveis qua¢nticos de cada molanãcula.
"Essas moléculas radioativas muito pesadas são especiais e tem sensibilidade a fena´menos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza", diz Udrescu. "Isso mostra que, quando comea§amos a pesquisar os efeitos que violam a simetria, temos uma grande chance de vaª-los nessas moléculas ."
"Imagine uma molanãcula vibrando como duas bolas em uma mola, com uma certa quantidade de energia", explica Udrescu, que éaluno de graduação do Laborata³rio de Ciência Nuclear do MIT. "Se vocêalterar o número de naªutrons em uma dessas bolas, a quantidade de energia pode mudar. Mas um naªutron é10 milhões de vezes menor do que uma molanãcula e, com nossa precisão atual, não espera¡vamos que mudar um deles criaria uma energia diferença, mas fez. E pudemos ver claramente esse efeito. "
Udrescu compara a sensibilidade das medições a ser capaz de ver como o Monte Everest, colocado nasuperfÍcie do sol, poderia, embora minuciosamente, alterar o raio do sol. Em comparação, ver certos efeitos de violação de simetria seria como ver como a largura de um aºnico fio de cabelo humano alteraria o raio do sol.
Os resultados demonstram que moléculas radioativas como RaF são ultrassensaveis aos efeitos nucleares e que sua sensibilidade pode revelar efeitos mais sutis, nunca antes vistos, como propriedades nucleares que violam a simetria minaºsculas, que podem ajudar a explicar a matéria-antimmater do universo assimetria.
"Essas moléculas radioativas muito pesadas são especiais e tem sensibilidade a fena´menos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza", diz Udrescu. "Isso mostra que, quando comea§amos a pesquisar os efeitos que violam a simetria, temos uma grande chance de vaª-los nessas moléculas ."
