Decennia lang hebben natuurkundigen geprobeerd de geheimen in de kern van een atoom te ontsluiten, waarbij ze traditioneel massieve en complexe deeltjesversnellers gebruikten om kernen met elektronen te bombarderen. Deze faciliteiten, die vaak kilometers bestrijken, versnellen elektronen tot ongelooflijk hoge snelheden in een zoektocht om de fundamentele bouwstenen van materie te begrijpen. Een nieuwe studie stelt echter een radicaal andere aanpak voor: het gebruik van de eigen elektronen van een atoom als miniatuur “boodschappers” binnen een enkel molecuul, waardoor een nieuwe manier ontstaat om nucleaire interacties te bestuderen zonder de noodzaak van een enorme infrastructuur.
Een moleculaire ‘botser’
De innovatieve techniek van het onderzoeksteam omvat het koppelen van een radiumatoom aan een fluoratoom om een radiummonofluoridemolecuul te vormen. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van deze moleculaire structuur, genereerden ze een microscopische ‘botser’ waarbij de elektronen van het radiumatoom tijdelijk de kern binnendringen. Onderzoekers waren vervolgens in staat om de energieën van deze elektronen binnen het molecuul nauwkeurig te meten, waardoor subtiele verschuivingen aan het licht kwamen die erop wezen dat de elektronen inderdaad kortstondig de kern binnendrongen en interactie aangingen met de inhoud ervan.
Onthulling van schendingen van de nucleaire symmetrie
Deze doorbraak biedt aanzienlijke mogelijkheden voor het meten van de magnetische verdeling van een kern, ook wel bekend als hoe de rangschikking van protonen en neutronen de magnetische eigenschappen ervan beïnvloedt. Het team benadrukt dat dit onderzoek een vroege stap is, maar ze verwachten deze methode te gebruiken om nieuwe inzichten in de radiumkern te verkrijgen en uiteindelijk enkele van de meest diepgaande mysteries in de natuurkunde aan te pakken.
Een hardnekkig raadsel in de kosmologie is de grote onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie in het waarneembare heelal. De huidige modellen suggereren dat het zeer vroege heelal ongeveer gelijke hoeveelheden van elk zou moeten bevatten; antimaterie is tegenwoordig echter opmerkelijk schaars. Wetenschappers theoretiseren dat aanwijzingen voor deze asymmetrie zich zouden kunnen bevinden in de innerlijke werking van bepaalde atoomkernen. Radium valt op als een veelbelovende kandidaat vanwege zijn ongebruikelijke, peerachtige vorm – een asymmetrie die het potentieel voor het waarnemen van schendingen van fundamentele symmetrieën kan vergroten.
Uitdagingen en toekomstperspectieven
Ondanks de veelbelovende resultaten erkennen onderzoekers de uitdagingen die gepaard gaan met het bestuderen van radium. Als natuurlijk radioactief element met een korte levensduur kunnen radiummonofluoridemoleculen slechts in kleine hoeveelheden worden geproduceerd, waardoor ongelooflijk gevoelige meettechnieken nodig zijn.
“Als je dit radioactieve atoom in een molecuul stopt, is het interne elektrische veld dat de elektronen ervaren een orde van grootte groter dan de velden die we in een laboratorium kunnen produceren en toepassen”, legt Silviu-Marian Udrescu, natuurkundige aan de Johns Hopkins Universiteit, uit. “In zekere zin gedraagt het molecuul zich als een gigantische deeltjesbotser en geeft het ons een betere kans om de kern van het radium te onderzoeken.”
Door de radiummonofluoridemoleculen op te sluiten en af te koelen en vervolgens lasers te gebruiken om elektronenenergieën te meten, konden de onderzoekers subtiele verschuivingen in de gegevens detecteren die indicatief waren voor nucleaire interacties.
“We hebben nu het bewijs dat we in de kern monsters kunnen nemen. Het is alsof we het elektrische veld van een batterij kunnen meten. Mensen kunnen het veld buiten de batterij meten, maar het meten binnenin de batterij is een veel grotere uitdaging. En dat is wat we nu kunnen doen”, zegt Ronald Fernando Garcia Ruiz, co-auteur van de natuurkundige studie van het MIT.
Deze ontdekking zou de manier waarop natuurkundigen atoomkernen bestuderen fundamenteel kunnen transformeren, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor het onderzoeken van de fundamentele symmetrieën van de natuur. Het onderzoeksteam is optimistisch dat radiumhoudende moleculen uitzonderlijk gevoelige systemen zullen blijken te zijn voor het zoeken naar deze symmetrieschendingen, en ze beschikken nu over een nieuw hulpmiddel om deze zoektocht uit te voeren.
