Per decenni, i fisici hanno cercato di svelare i segreti custoditi nel nucleo di un atomo, impiegando tradizionalmente collisori di particelle massicci e complessi per bombardare i nuclei con gli elettroni. Queste strutture, che spesso si estendono per chilometri, accelerano gli elettroni a velocità incredibilmente elevate nel tentativo di comprendere gli elementi fondamentali della materia. Tuttavia, un nuovo studio propone un approccio radicalmente diverso: utilizzare gli elettroni di un atomo come “messaggeri” in miniatura all’interno di una singola molecola, creando un nuovo modo di studiare le interazioni nucleari senza la necessità di enormi infrastrutture.
Un “collisore” molecolare
La tecnica innovativa del gruppo di ricerca prevede l’accoppiamento di un atomo di radio con un atomo di fluoro per formare una molecola di monofluoruro di radio. Sfruttando le proprietà uniche di questa struttura molecolare, hanno generato un microscopico “collisore” in cui gli elettroni dell’atomo di radio penetrano momentaneamente nel suo nucleo. I ricercatori sono stati quindi in grado di misurare con precisione le energie di questi elettroni all’interno della molecola, rivelando sottili cambiamenti che indicavano che gli elettroni stavano effettivamente entrando brevemente nel nucleo e interagendo con il suo contenuto.
Svelata violazione della simmetria nucleare
Questa innovazione ha un potenziale significativo per misurare la distribuzione magnetica di un nucleo, noto anche come la disposizione di protoni e neutroni ne influenza le proprietà magnetiche. Il team sottolinea che questa ricerca rappresenta un primo passo, ma prevede di utilizzare questo metodo per acquisire nuove conoscenze sul nucleo del radio e, in definitiva, per affrontare alcuni dei misteri più profondi della fisica.
Un enigma persistente in cosmologia è il netto squilibrio tra materia e antimateria nell’Universo osservabile. I modelli attuali suggeriscono che l’Universo primordiale avrebbe dovuto contenere quantità più o meno uguali di ciascuno; tuttavia, l’antimateria è notevolmente scarsa oggi. Gli scienziati teorizzano che gli indizi di questa asimmetria potrebbero risiedere nel funzionamento interno di alcuni nuclei atomici. Il radio si distingue come un candidato promettente per la sua insolita forma a pera, un’asimmetria che potrebbe amplificare il potenziale per osservare violazioni delle simmetrie fondamentali.
Sfide e prospettive future
Nonostante i risultati promettenti, i ricercatori riconoscono le sfide associate allo studio del radio. Essendo un elemento naturalmente radioattivo con una vita breve, le molecole di monofluoruro di radio possono essere prodotte solo in piccole quantità, rendendo necessarie tecniche di misurazione incredibilmente sensibili.
“Quando si inserisce questo atomo radioattivo all’interno di una molecola, il campo elettrico interno sperimentato dai suoi elettroni è di ordini di grandezza maggiore rispetto ai campi che possiamo produrre e applicare in un laboratorio”, spiega Silviu-Marian Udrescu, fisico della Johns Hopkins University. “In un certo senso, la molecola si comporta come un gigantesco collisore di particelle e ci dà una migliore possibilità di sondare il nucleo del radio”.
Confinando e raffreddando le molecole di monofluoruro di radio e quindi utilizzando i laser per misurare le energie degli elettroni, i ricercatori sono stati in grado di rilevare sottili cambiamenti nei dati indicativi delle interazioni nucleari.
“Ora abbiamo la prova che possiamo campionare all’interno del nucleo. È come essere in grado di misurare il campo elettrico di una batteria. Le persone possono misurare il suo campo all’esterno, ma misurare all’interno della batteria è molto più impegnativo. Ed è quello che possiamo fare ora,” dice il coautore dello studio fisico del MIT Ronald Fernando Garcia Ruiz.
Questa scoperta potrebbe trasformare radicalmente il modo in cui i fisici studiano i nuclei atomici, aprendo nuove strade per esplorare le simmetrie fondamentali della natura. Il gruppo di ricerca è ottimista sul fatto che le molecole contenenti radio si dimostreranno sistemi eccezionalmente sensibili per la ricerca di queste violazioni di simmetria e ora possiedono un nuovo strumento per effettuare questa ricerca.
