To MIT κοίταξε για πρώτη φορά μέσα στα άτομα!

Μια ομάδα φυσικών του MIT κατάφερε κάτι που μέχρι πρόσφατα φάνταζε αδύνατο: να δει μέσα στην καρδιά του ατόμου, στον ίδιο τον πυρήνα του, χωρίς τη βοήθεια τεράστιων επιταχυντών σωματιδίων. Με μια νέα, επιτραπέζια μέθοδο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα ίδια τα ηλεκτρόνια ενός μορίου ως «αγγελιοφόρους» που μεταφέρουν πληροφορίες από το εσωτερικό του πυρήνα, μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να οδηγήσει σε απαντήσεις για το γιατί υπάρχει το Σύμπαν όπως το γνωρίζουμε, γεμάτο ύλη και όχι αντιύλη.

Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, περιγράφει πώς η ομάδα μελέτησε το μόριο μονοφθοριούχο ράδιο, ένα χημικό σύμπλεγμα αποτελούμενο από ένα άτομο ραδίου και ένα άτομο φθορίου. Μετρώντας με εξαιρετική ακρίβεια την ενέργεια των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν το ράδιο, οι επιστήμονες παρατήρησαν μικρές, αλλά σημαντικές μεταβολές, αποδείξεις ότι μερικά ηλεκτρόνια διείσδυσαν στιγμιαία στον πυρήνα και «επικοινώνησαν» με τα πρωτόνια και τα νετρόνια στο εσωτερικό του.

Σε αντίθεση με τα συμβατικά πειράματα που απαιτούν τεράστιες υποδομές όπως αυτές του CERN, αυτή η νέα μέθοδος χωρά σε ένα εργαστηριακό τραπέζι. Οι Φυσικοί μετέτρεψαν ουσιαστικά το ίδιο το μόριο σε έναν μικροσκοπικό επιταχυντή, ικανό να αναπαράγει σε μικρογραφία τις συγκρούσεις υψηλής ενέργειας που άλλοτε χρειάζονταν χιλιόμετρα τούνελ και δισεκατομμύρια δολάρια.

Ο Ronald Fernando Garcia Ruiz, επικεφαλής της μελέτης και αναπληρωτής καθηγητής Φυσικής στο MIT, εξηγεί:

Τα αποτελέσματα μας ανοίγουν τον δρόμο για μελλοντικές μετρήσεις που θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν παραβιάσεις θεμελιωδών συμμετριών μέσα στον πυρήνα. Αυτό ίσως μας φέρει πιο κοντά σε μερικά από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα της Φυσικής.

Η ιδέα είναι τόσο ευφυής όσο και απλή: αντί να στέλνουν ηλεκτρόνια από έξω για να χτυπήσουν τον πυρήνα, οι επιστήμονες «παγιδεύουν» τα ηλεκτρόνια που ήδη περιβάλλουν το άτομο, αυξάνοντας τις πιθανότητες να περάσουν μέσα από τον πυρήνα και να αλληλεπιδράσουν με αυτόν. Όταν τα ηλεκτρόνια επανέρχονται στην τροχιά τους, μεταφέρουν ένα ενεργειακό «ίχνος» αυτής της αλληλεπίδρασης, ένα είδος μηνύματος από το εσωτερικό του ατόμου.

Η μέθοδος αυτή επιτρέπει τη μέτρηση της λεγόμενης «μαγνητικής κατανομής» του πυρήνα, δηλαδή του τρόπου με τον οποίο είναι προσανατολισμένα τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Η απεικόνιση αυτής της κατανομής θα μπορούσε να ρίξει φως σε ένα από τα πιο βαθιά μυστήρια της κοσμολογίας: γιατί η ύλη υπερισχύει της αντιύλης στο Σύμπαν.

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment (CRIS) του CERN στην Ελβετία, όπου οι επιστήμονες του MIT –ανάμεσά τους οι Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu και Alex Brinson– εργάστηκαν για να δημιουργήσουν και να μετρήσουν τα σπάνια μόρια radium monofluoride.

Η επιλογή του ραδίου δεν είναι τυχαία. Σε αντίθεση με τα περισσότερα άτομα, των οποίων οι πυρήνες είναι σχεδόν σφαιρικοί, ο πυρήνας του ραδίου έχει ένα ασύμμετρο, «αχλαδόμορφο» σχήμα. Αυτή η παραμόρφωση το καθιστά εξαιρετικά ευαίσθητο σε φαινόμενα που παραβιάζουν τις συμμετρίες της φύσης, φαινόμενα που μπορεί να εξηγήσουν γιατί δεν εξαφανίστηκε όλη η ύλη του Σύμπαντος όταν συναντήθηκε με την αντιύλη μετά το Big Bang.

Το δύσκολο, όμως, είναι να δημιουργηθούν αρκετά μόρια για μέτρηση. Το ράδιο είναι ραδιενεργό και έχει μικρή διάρκεια ζωής, γεγονός που περιορίζει τα διαθέσιμα δείγματα. «Μπορούμε να παράγουμε μόνο απειροελάχιστες ποσότητες μονοφθοριούχου ράδιου», εξηγεί ο Shane Wilkins, κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Γι’ αυτό χρειαστήκαμε εξαιρετικά ευαίσθητες τεχνικές για να εντοπίσουμε τις ενεργειακές μεταβολές».

Το κλειδί βρίσκεται στο ίδιο το μόριο. Το μονοφθοριούχο ράδιο δημιουργήθηκε ενώνοντας άτομα ραδίου με άτομα φθορίου, σε συνθήκες απόλυτου ελέγχου. Οι επιστήμονες παγίδευσαν και ψύξανε τα μόρια, τα οδήγησαν μέσα από θαλάμους κενού και τα εξέθεσαν σε ειδικά σχεδιασμένες ακτίνες laser.

Το αποτέλεσμα ήταν μια εξαιρετικά ακριβής μέτρηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων. Μια μικρή μετατόπιση, περίπου στο ένα εκατομμυριοστό της ενέργειας του φωτονίου που χρησιμοποιήθηκε, αποκάλυψε κάτι σπουδαίο: τα ηλεκτρόνια είχαν πράγματι αλληλεπιδράσει με το εσωτερικό του πυρήνα.

Ξέρουμε πώς φαίνεται η αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων έξω από τον πυρήνα.Αλλά εδώ οι μετρήσεις μας δεν ταίριαζαν με τις προβλέψεις. Η διαφορά έδειχνε ότι κάποια ηλεκτρόνια είχαν βρεθεί μέσα στον πυρήνα.

Η ομάδα του MIT σχεδιάζει τώρα να χρησιμοποιήσει τη μέθοδό της για να χαρτογραφήσει τη δομή και τις εσωτερικές δυνάμεις του πυρήνα με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια. Στόχος είναι να ψύξουν περαιτέρω τα μόρια ραδίου, ώστε οι πυρήνες τους να σταθεροποιηθούν σε ελεγχόμενο προσανατολισμό, κάτι που θα επιτρέψει τρισδιάστατη απεικόνιση του εσωτερικού τους.

[source]