Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules

En lo más profundo del corazón de la materia, donde los protones y neutrones se unen para formar núcleos atómicos, yace una sutil asimetría que podría reescribir nuestra comprensión del universo. Los físicos han sospechado durante mucho tiempo que las fuerzas fundamentales que gobiernan estas partículas podrían no ser perfectamente simétricas, una violación conocida como violación de la carga y la paridad. Si tal violación existiera, se manifestaría como una separación diminuta y permanente de la carga positiva y negativa dentro del propio núcleo, una propiedad llamada momento de Schiff nuclear. Detectar este efecto minúsculo es increíblemente difícil porque los electrones que rodean al núcleo suelen ocultarlo de la vista. Sin embargo, los científicos han teorizado que si logran colocar estos núcleos dentro de ciertas moléculas, los campos eléctricos internos de la molécula podrían amplificar esta señal oculta, haciéndola visible para instrumentos sensibles. Esta búsqueda no trata solo de encontrar una nueva fuerza; es una sonda para la física que se encuentra más allá de nuestro modelo estándar actual, explicando potencialmente por qué el universo está hecho de materia en lugar de antimateria. Para tener éxito, los investigadores deben estudiar estas moléculas mientras están casi inmóviles, enfriándolas a temperaturas de apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto para eliminar el ruido térmico que, de otro modo, ahogaría la señal.

Un equipo de investigadores ha dado ahora un paso decisivo hacia este objetivo al demostrar una nueva forma de crear y estudiar estas moléculas radiactivas frías. Trabajando en una instalación en Bélgica, los científicos se centraron en moléculas hechas de torio y oxígeno, específicamente versiones que contienen isótopos de torio raros y de vida corta. Su desafío era tomar un objetivo de material sólido, convertirlo en un gas de moléculas y luego enfriar ese gas tan rápidamente que las moléculas dejaran de sacudirse y girar salvajemente, estableciéndose en un estado tranquilo y predecible. Para lograrlo, emplearon una técnica que involucra una boquilla especializada, con forma de boquilla de Laval, que acelera el gas a velocidades supersónicas. A medida que el gas pasa por esta boquilla y se expande hacia el vacío, se enfría drásticamente, de forma muy similar a cómo un chorro de aire comprimido se siente frío cuando golpea la piel, pero a una escala donde las propias moléculas pierden casi todo su calor interno.

Los investigadores comenzaron creando una corriente de moléculas de óxido de torio. Utilizaron un láser de alta potencia para bombardear un punto diminuto en un objetivo hecho de torio, vaporizando el material y enviando una nube de átomos y moléculas calientes hacia una cámara llena de gas argón. Esta nube fue arrastrada por un flujo constante de argón hacia la boquilla. A medida que la mezcla pasaba por la boquilla, la rápida expansión enfriaba las moléculas. El equipo utilizó entonces un segundo conjunto de láseres para sondear las moléculas, proyectando luz a frecuencias específicas para ver cómo absorbían energía. Al ajustar cuidadosamente estos láseres y medir las señales resultantes, pudieron determinar la temperatura de las moléculas de tres maneras diferentes: qué tan rápido se movían hacia adelante, qué tan rápido giraban y cuánto vibraban.

Los resultados fueron sorprendentes. Las moléculas fueron enfriadas a una temperatura de traslación de unos 12,5 Kelvin, que es aproximadamente 12,5 grados por encima del cero absoluto. Aún más impresionante, su movimiento de giro, o rotación, fue enfriado a solo 7,2 Kelvin. Este frío extremo significó que las moléculas no estaban dando vueltas caóticamente, sino que estaban alineadas de una manera muy ordenada, permitiendo a los investigadores ver sus líneas espectrales con una claridad sin precedentes. Aunque no pudieron medir la temperatura exacta de las vibraciones de las moléculas, encontraron que las moléculas no estaban vibrando en estados excitados, situando un límite superior en esa temperatura de 250 Kelvin. Este nivel de enfriamiento es una mejora significativa respecto a métodos anteriores, que a menudo dejaban las moléculas demasiado calientes y caóticas para ser estudiadas en detalle.

Con las moléculas ahora tranquilas y frías, el equipo pudo medir cómo cambiaban los niveles de energía de las moléculas cuando utilizaban diferentes isótopos de torio. Este cambio, conocido como desplazamiento isotópico, contiene información sobre el tamaño y la forma del núcleo. Al comparar sus mediciones con cálculos teóricos, los investigadores descubrieron que las moléculas eran increíblemente sensibles a los cambios en el radio de la carga nuclear. Determinaron un factor de desplazamiento de campo que era significativamente mayor de lo que se observa en átomos individuales, confirmando que las moléculas pueden, de hecho, actuar como potentes amplificadores para estos efectos nucleares. Los datos experimentales coincidieron bien con las complejas simulaciones por computadora realizadas por el equipo, que utilizaron mecánica cuántica avanzada para predecir cómo interactuarían los electrones y los núcleos. Este acuerdo entre las mediciones del mundo real y los modelos teóricos da confianza a los científicos de que sus herramientas están funcionando correctamente y de que están en el camino correcto.

Este trabajo es más que un éxito técnico; abre una nueva puerta para el estudio de los elementos más pesados de la tabla periódica. La capacidad de producir y enfriar moléculas radiactivas como el óxido de torio significa que los científicos pueden ahora aplicar estas precisas técnicas láser a otros isótopos de vida corta que anteriormente eran demasiado difíciles de manipular. Los investigadores planean utilizar este método para estudiar moléculas aún más exóticas, incluyendo potencialmente aquellas que no contienen nobelio o laurencio, elementos que existen solo por momentos antes de decaer. Al dominar el arte de enfriar estas moléculas fugaces, el equipo ha sentado las bases para una nueva generación de experimentos que finalmente podrían revelar las sutiles violaciones de la simetría ocultas en lo más profundo del núcleo atómico, acercándonos a la comprensión de las reglas fundamentales que gobiernan nuestro universo.