Publicado 28/05/2020 10:32CET

Nueva física al alcance con la medición de una molécula radiactiva fugaz

Nueva física al alcance con la medición de una molécula radiactiva fugaz
Nueva física al alcance con la medición de una molécula radiactiva fugaz - MIT

MADRID, 28 May. (EUROPA PRESS) -

La combinación del poder de un súper colisionador con técnicas de espectroscopía láser ha permitido medir con precisión una molécula radiactiva de vida corta, el monofluoruro de radio, por primera vez.

Los estudios de precisión de las moléculas radiactivas abren posibilidades para que los científicos busquen nuevas físicas más allá del Modelo Estándar, como los fenómenos que violan ciertas simetrías fundamentales en la naturaleza, y para buscar signos de materia oscura. La técnica experimental del equipo, --liderado por el MIT (Massachusetts Institute of Technology) y el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear)--, también podría usarse para realizar estudios de laboratorio de moléculas radiactivas producidas en procesos astrofísicos.

"Nuestros resultados allanan el camino para estudios de alta precisión de moléculas radiactivas de corta duración, que podrían ofrecer un laboratorio nuevo y único para la investigación en física fundamental y otros campos", dice en un comunicado el autor principal del estudio, Ronald Fernando García Ruiz, profesor asistente de física en el MIT. Los resultados se publican en la revista Nature.

La molécula más simple está hecha de dos átomos, cada uno con un núcleo que comprende un cierto número de protones y neutrones que hacen que un átomo sea más pesado que el otro. Cada núcleo está rodeado por una nube de electrones. En presencia de un campo eléctrico, estos electrones se pueden redistribuir para crear un campo eléctrico extremadamente grande dentro de la molécula.

Los físicos han utilizado moléculas y sus campos eléctricos como laboratorios en miniatura para estudiar las propiedades fundamentales de los electrones y otras partículas subatómicas. Por ejemplo, cuando un electrón unido interactúa con el campo eléctrico de la molécula, su energía puede cambiar como resultado, lo que los científicos pueden medir para inferir las propiedades del electrón, como su momento dipolar electrostático, que proporciona una medición de su desviación de una forma esférica .

Según el modelo estándar de física de partículas, las partículas elementales deben ser aproximadamente esféricas o tener un momento dipolar electrostático insignificante. Sin embargo, si existe un momento dipolar eléctrico permanente de una partícula o un sistema, esto implicaría que ciertos procesos en la naturaleza no son tan simétricos como los físicos habían supuesto.

Por ejemplo, los físicos creen que la mayoría de las leyes fundamentales de la física deberían permanecer sin cambios con la dirección del tiempo, un principio conocido como simetría de inversión de tiempo. Es decir, independientemente de si el tiempo corre hacia adelante o hacia atrás, la gravedad, por ejemplo, debería hacer que una pelota se caiga de un acantilado o retroceda, a lo largo del mismo camino en velocidad y espacio. Sin embargo, si un electrón no es perfectamente esférico, esto indicaría que se viola la simetría de inversión de tiempo. Esta violación proporcionaría una condición muy necesaria para explicar por qué hay más materia que antimateria en nuestro universo.

Al estudiar las interacciones de un electrón con campos eléctricos muy fuertes, los científicos podrían tener la posibilidad de medir con precisión sus momentos dipolares eléctricos. En ciertas moléculas, cuanto más pesados ​​son sus átomos, más fuerte es su campo eléctrico interno. Las moléculas radiactivas, aquellas que contienen al menos un núcleo inestable, se pueden adaptar para maximizar sus campos eléctricos internos. Además, los núcleos radiactivos pesados ​​pueden tener formas de pera, que pueden amplificar sus propiedades de violación de la simetría.

Debido a sus altos campos eléctricos y sus formas nucleares únicas, las moléculas radiactivas harían laboratorios naturales en los que explorar no solo la estructura del electrón, sino también las propiedades nucleares que violan la simetría. Pero estas moléculas son de corta duración, y los científicos no han podido precisarlas.

"Estas moléculas radiactivas son muy raras en la naturaleza y algunas de ellas no se pueden encontrar en nuestro planeta, pero pueden ser abundantes en procesos astrofísicos como explosiones estelares o fusiones de estrellas de neutrones", dice García Ruiz. "Así que tenemos que fabricarlos artificialmente, y los principales desafíos han sido que solo se pueden producir en pequeñas cantidades a altas temperaturas, y pueden ser de muy corta duración".

El equipo buscó una forma de fabricar monofluoruro de radio, o RaF, una molécula radioactiva que contiene un átomo de radio muy pesado e inestable, y un átomo de fluoruro. Esta molécula es de particular interés porque ciertos isótopos del núcleo de radio son asimétricos, se asemejan a una pera, con más masa en un extremo del núcleo que en el otro.

Además, los teóricos habían predicho que la estructura energética del monofluoruro de radio haría que la molécula sea susceptible al enfriamiento por láser, una técnica que utiliza láseres para reducir la temperatura de las moléculas y reducir su velocidad lo suficiente como para realizar estudios de precisión. Si bien la mayoría de las moléculas tienen muchos estados de energía que pueden ocupar, con un gran número de estados vibratorios y rotacionales, resulta que el monofluoruro de radio favorece las transiciones electrónicas entre unos pocos niveles de energía principales, una molécula inusualmente simple para controlar, usando enfriamiento por láser.

El equipo pudo medir moléculas de RaF haciendo primero pequeñas cantidades de la molécula utilizando el separador de masa de isótopos en línea del CERN, conocido como ISOLDE, que luego manipularon y estudiaron con láser utilizando el experimento de espectroscopía de ionización por resonancia colineal (CRIS) .

En su experimento, los investigadores utilizaron el Proton Synchrotron Booster del CERN, una serie de anillos que recibe protones de un acelerador de partículas y acelera los protones. El equipo disparó estos protones a un objetivo hecho de carburo de uranio, a energías tan altas que el ataque destruyó uranio, produciendo una lluvia de protones y neutrones que se mezclaron para formar una mezcla de núcleos radiactivos, incluido el radio.

Luego, los investigadores inyectaron un gas de tetrafluoruro de carbono, que reaccionó con el radio para formar moléculas iónicas o cargadas de monofluoruro de radio, que separaron del resto de los subproductos de uranio a través de un sistema de imanes de separación de masas. Luego fijaron las moléculas en una trampa de iones y las rodearon con gas helio, que enfrió las moléculas lo suficiente como para que los investigadores las midieran.

Luego, el equipo midió las moléculas reacelerándolas y pasándolas a través de la configuración CRIS, donde las moléculas iónicas interactuaron con átomos de sodio que dieron un electrón a cada molécula para neutralizar el haz de moléculas en vuelo. Las moléculas neutras luego continuaron a través de una región de interacción, donde los investigadores también brillaron dos rayos láser, uno rojo y el otro azul.

El equipo sintonizó la frecuencia del láser rojo hacia arriba y hacia abajo, y descubrió que a ciertas longitudes de onda el láser resonaba con las moléculas, excitando un electrón en la molécula a otro nivel de energía, de modo que el láser azul tenía suficiente energía para eliminar el electrón del molécula. Las moléculas resonantemente excitadas, que se volvieron iónicas nuevamente, se desviaron y se recolectaron en un detector de partículas, lo que permitió a los investigadores medir, por primera vez, sus niveles de energía y las propiedades moleculares asociadas que demuestran que la estructura de estas moléculas es realmente favorable para enfriamiento por láser.

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