Imaginez une particule de poussière dans un nuage orageux et vous pourrez vous faire une idée de l’insignifiance d’un neutron par rapport à la magnitude de la molécule qu’il habite.

Mais tout comme un grain de poussière pourrait affecter la trajectoire d’un nuage, un neutron peut influencer l’énergie de sa molécule alors qu’il fait moins d’un millionième de sa taille. Et maintenant, les physiciens du MIT et d’ailleurs ont réussi à mesurer l’effet minuscule d’un neutron sur une molécule radioactive.

L’équipe a développé une nouvelle technique pour produire et étudier des molécules radioactives à courte durée de vie avec des nombres de neutrons qu’elles peuvent contrôler avec précision. Ils ont sélectionné à la main plusieurs isotopes de la même molécule, chacun contenant un neutron de plus que le suivant. Lorsqu’ils ont mesuré l’énergie de chaque molécule, ils ont pu détecter de petits changements presque imperceptibles de la taille nucléaire, dus à l’effet d’un seul neutron.

Le fait qu’ils aient pu voir de si petits effets nucléaires suggère que les scientifiques ont maintenant la possibilité de rechercher dans ces molécules radioactives des effets encore plus subtils, causés par la matière noire, par exemple, ou par les effets de nouvelles sources d’énergie. violations liées à certains des mystères actuels de l’univers.

« Si les lois de la physique sont symétriques comme nous le pensons, alors le Big Bang aurait dû créer de la matière et de l’antimatière en quantités égales. cela signifie qu’il y a une violation des symétries les plus fondamentales de la physique, d’une manière que nous ne pouvons pas expliquer avec tout ce que nous savons », explique Ronald Fernando García Ruiz, professeur adjoint de physique au MIT.

« Maintenant, nous avons la possibilité de mesurer ces violations de symétrie, en utilisant ces molécules radioactives lourdes, qui ont une sensibilité extrême aux phénomènes nucléaires que nous ne pouvons pas voir dans d’autres molécules dans la nature », dit-il. « Cela pourrait apporter des réponses à l’un des principaux mystères de la création de l’univers. »

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Ruiz et ses collègues ont publié aujourd’hui leurs résultats dans Lettres d’examen physique.

Une asymétrie particulière

La plupart des atomes dans la nature abritent un noyau sphérique symétrique, avec des neutrons et des protons uniformément répartis. Mais dans certains éléments radioactifs comme le radium, les noyaux atomiques sont étrangement en forme de poire, avec une distribution inégale de neutrons et de protons en leur sein. Les physiciens émettent l’hypothèse que cette déformation de la forme peut augmenter la violation des symétries qui ont donné naissance à la matière dans l’univers.

« Les noyaux radioactifs pourraient facilement nous permettre de voir ces effets de violation de la symétrie », explique l’auteur principal de l’étude, Silviu-Marian Udrescu, un étudiant diplômé du département de physique du MIT. « L’inconvénient est qu’ils sont très instables et vivent très peu de temps, nous avons donc besoin de méthodes sensibles pour les produire et les détecter rapidement. »

Plutôt que d’essayer d’identifier les noyaux radioactifs eux-mêmes, l’équipe les a placés dans une molécule qui amplifie encore la sensibilité aux violations de symétrie. Les molécules radioactives sont constituées d’au moins un atome radioactif, attaché à un ou plusieurs atomes. Chaque atome est entouré d’un nuage d’électrons qui génèrent ensemble un champ électrique extrêmement élevé dans la molécule qui, selon les physiciens, pourrait amplifier des effets nucléaires subtils, tels que les effets de violation de symétrie.

Cependant, en dehors de certains processus astrophysiques, tels que les fusions d’étoiles à neutrons et les explosions stellaires, les molécules radioactives d’intérêt n’existent pas dans la nature et doivent donc être créées artificiellement. García Ruiz et ses collègues ont affiné des techniques pour créer des molécules radioactives en laboratoire et étudier avec précision leurs propriétés. L’année dernière, ils ont rendu compte d’une méthode pour produire des molécules de monofluorure de radium, ou RaF, une molécule radioactive qui contient un atome de radium instable et un atome de fluorure.

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Dans leur nouvelle étude, l’équipe a utilisé des techniques similaires pour produire des isotopes RaF, ou des versions de la molécule radioactive avec différents nombres de neutrons. Comme ils l’ont fait dans leur expérience précédente, les chercheurs ont utilisé l’installation Isotope Mass Separator Online, ou ISOLDE, du CERN à Genève, en Suisse, pour produire de petites quantités d’isotopes RaF.

L’installation abrite un faisceau de protons de faible énergie, que l’équipe a dirigé vers une cible : un disque de carbure d’uranium de la taille d’un demi-dollar, dans lequel ils ont également injecté un gaz de fluorure de carbone. Les réactions chimiques ultérieures ont produit un zoo de molécules, dont RaF, que l’équipe a séparées à l’aide d’un système précis de lasers, de champs électromagnétiques et de pièges à ions.

Les chercheurs ont mesuré la masse de chaque molécule pour estimer le nombre de neutrons dans le noyau de rayon d’une molécule. Ils ont ensuite classé les molécules par isotopes, selon leur nombre de neutrons.

Au final, ils ont classé des groupes de cinq isotopes différents de RaF, chacun contenant plus de neutrons les uns que les autres. À l’aide d’un système laser distinct, l’équipe a mesuré les niveaux quantiques de chaque molécule.

« Imaginez une molécule vibrant comme deux boules sur un ressort, avec une certaine quantité d’énergie », explique Udrescu, étudiant diplômé au Laboratoire des sciences nucléaires du MIT. « Si vous changez le nombre de neutrons dans l’une de ces boules, la quantité d’énergie pourrait changer. Mais un neutron est 10 millions de fois plus petit qu’une molécule, et avec notre précision actuelle, nous ne nous attendions pas à ce qu’en changer un crée une différence d’énergie , mais il l’a fait. Et nous pouvions clairement voir cet effet.  »

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Udrescu compare la sensibilité des mesures avec la possibilité de voir comment le mont Everest, placé à la surface du soleil, pourrait, même dans les moindres détails, changer le rayon du soleil. En comparaison, voir certains effets de violation de symétrie serait comme voir comment la largeur d’un seul cheveu humain modifierait le rayon du soleil.

Les résultats démontrent que les molécules radioactives telles que le RaF sont ultrasensibles aux effets nucléaires et que leur sensibilité peut probablement révéler des effets plus subtils et jamais vus auparavant, tels que de minuscules propriétés nucléaires violant la symétrie, qui pourraient aider à expliquer la relation matière-antimatière de la univers. . asymétrie.

« Ces molécules radioactives très lourdes sont spéciales et ont une sensibilité aux phénomènes nucléaires que nous ne pouvons pas voir dans d’autres molécules dans la nature », explique Udrescu. « Cela montre que lorsque nous commençons à rechercher des effets qui violent la symétrie, nous avons une forte probabilité de les voir dans ces molécules. »

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Cette recherche a été financée, en partie, par l’Office of Nuclear Physics, US Department of Energy; les fonds d’amorçage mondiaux MISTI ; le Conseil européen de la recherche ; le programme de recherche belge FWO Vlaanderen et BriX IAP ; la Fondation allemande pour la recherche ; le UK Science and Technology Facilities Council et la bourse Ernest Rutherford Scholarship.