Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules

Nel cuore profondo della materia, dove protoni e neutroni si legano insieme per formare i nuclei atomici, giace una sottile asimmetria che potrebbe riscrivere la nostra comprensione dell'universo. I fisici sospettano da tempo che le forze fondamentali che governano queste particelle potrebbero non essere perfettamente simmetriche, una violazione nota come violazione di carica-parità. Se una tale violazione esistesse, si manifesterebbe come una minuscola e permanente separazione di cariche positive e negative all'interno del nucleo stesso, una proprietà chiamata momento di Schiff nucleare. Rilevare questo effetto infinitesimale è incredibilmente difficile perché gli elettroni che circondano il nucleo solitamente lo schermano dalla vista. Tuttavia, gli scienziati hanno teorizzato che, se riuscissero a inserire questi nuclei all'interno di determinate molecole, i campi elettrici interni della molecola potrebbero amplificare questo segnale nascosto, rendendolo visibile a strumenti sensibili. Questa ricerca non riguarda solo la scoperta di una nuova forza; è una sonda per la fisica che risiede oltre il nostro attuale modello standard, spiegando potenzialmente perché l'universo sia fatto di materia piuttosto che di antimateria. Per avere successo, i ricercatori devono studiare queste molecole mentre sono quasi immobili, raffreddandole a temperature di appena pochi gradi sopra lo zero assoluto per eliminare il rumore termico che altrimenti sommergerebbe il segnale.

Un team di ricercatori ha ora compiuto un passo decisivo verso questo obiettivo, dimostrando un nuovo modo per creare e studiare queste molecole radioattive fredde. Lavorando in una struttura in Belgio, gli scienziati si sono concentrati su molecole composte da torio e ossigeno, specificamente versioni contenenti isotopi rari e a vita breve del torio. La loro sfida era prendere un bersaglio di materiale solido, trasformarlo in un gas di molecole e poi raffreddare quel gas così rapidamente che le molecole smettessero di oscillare e ruotare selvaggiamente, stabilizzandosi in uno stato calmo e prevedibile. Per ottenere questo, hanno impiegato una tecnica che coinvolge un ugello specializzato, modellato come un ugello de Laval, che accelera il gas a velocità supersoniche. Mentre il gas attraversa questo ugello ed espande in un vuoto, si raffredda drasticamente, proprio come un getto d'aria compressa sembra freddo quando colpisce la pelle, ma su una scala in cui le molecole stesse perdono quasi tutto il loro calore interno.

I ricercatori hanno iniziato creando un flusso di molecole di ossido di torio. Hanno utilizzato un laser ad alta potenza per colpire un piccolo punto su un bersaglio di torio, vaporizzando il materiale e inviando una nuvola di atomi e molecole calde in una camera riempita di gas argon. Questa nuvola è stata poi trascinata da un flusso costante di argon verso l'ugello. Mentre la miscela passava attraverso l'ugello, la rapida espansione ha raffreddato le molecole. Il team ha poi utilizzato un secondo set di laser per sondare le molecole, facendo passare luce a frequenze specifiche per vedere come assorbivano l'energia. Calibrando attentamente questi laser e misurando i segnali risultanti, sono stati in grado di determinare la temperatura delle molecole in tre modi diversi: quanto velocemente si muovevano in avanti, quanto velocemente ruotavano e quanto vibravano.

I risultati sono stati sorprendenti. Le molecole sono state raffreddate a una temperatura traslazionale di circa 12,5 Kelvin, ovvero circa 12,5 gradi sopra lo zero assoluto. Ancora più impressionante, il loro movimento di rotazione, o rotazione, è stato raffreddato a soli 7,2 Kelvin. Questo freddo estremo significava che le molecole non stavano roteando caoticamente, ma erano invece allineate in modo molto ordinato, permettendo ai ricercatori di vedere le loro linee spettrali con una chiarezza senza precedenti. Sebbene non siano riusciti a misurare l'esatta temperatura delle vibrazioni molecolari, hanno scoperto che le molecole non stavano vibrando in stati eccitati, ponendo un limite superiore a tale temperatura a 250 Kelvin. Questo livello di raffreddamento rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai metodi precedenti, che spesso lasciavano le molecole troppo calde e caotiche per essere studiate in dettaglio.

Con le molecole ora calme e fredde, il team è stato in grado di misurare come i livelli di energia delle molecole si spostassero utilizzando diversi isotopi del torio. Questo spostamento, noto come spostamento isotopico, contiene informazioni sulla dimensione e sulla forma del nucleo. Confrontando le loro misurazioni con i calcoli teorici, i ricercatori hanno scoperto che le molecole erano incredibilmente sensibili alle variazioni del raggio di carica nucleare. Hanno determinato un fattore di spostamento di campo significativamente più grande di quello osservato nei singoli atomi, confermando che le molecole possono effettivamente agire come potenti amplificatori per questi effetti nucleari. I dati sperimentali concordavano bene con le complesse simulazioni al computer eseguite dal team, che utilizzavano la meccanica quantistica avanzata per prevedere come gli elettroni e i nuclei interagirebbero. Questo accordo tra le misurazioni del mondo reale e i modelli teorici dà agli scienziati la fiducia che i loro strumenti stiano funzionando correttamente e che siano sulla strada giusta.

Questo lavoro è più di un semplice successo tecnico; apre una nuova porta per lo studio degli elementi più pesanti della tavola periodica. La capacità di produrre e raffreddare molecole radioattive come l'ossido di torio significa che gli scienziati possono ora applicare queste precise tecniche laser ad altri isotopi a vita breve che prima erano troppo difficili da gestire. I ricercatori intendono utilizzare questo metodo per studiare molecole ancora più esotiche, potenzialmente includendo quelle contenenti nobelio o lawrenzio, elementi che esistono solo per brevi istanti prima di decadere. Padroneggiando l'arte di raffreddare queste molecole fugaci, il team ha gettato le basi per una nuova generazione di esperimenti che potrebbero finalmente rivelare le sottili violazioni di simmetria nascoste nel profondo del nucleo atomico, avvicinandoci alla comprensione delle regole fondamentali che governano il nostro universo.