Un team di fisici del MIT ha sviluppato un metodo innovativo per esplorare l'interno dei nuclei atomici senza ricorrere agli enormi acceleratori di particelle tradizionali. La tecnica, che sfrutta le molecole come laboratori microscopici, potrebbe fornire nuove risposte a uno dei grandi enigmi della cosmologia moderna: perché l'universo che osserviamo è composto quasi esclusivamente di materia, mentre l'antimateria è praticamente scomparsa.
Il quesito della sproporzione tra materia e antimateria rappresenta una delle sfide più impegnative della fisica contemporanea. Secondo le previsioni teoriche, il Big Bang avrebbe dovuto generare quantità pressoché identiche di entrambe, eppure tutto ciò che possiamo rilevare oggi è costituito da materia ordinaria. Questa discrepanza suggerisce l'esistenza di violazioni di simmetrie fondamentali che il Modello Standard non riesce ancora a spiegare completamente.
Il monofluoruro di radio si è rivelato il candidato ideale per questo tipo di indagini. A differenza della maggior parte dei nuclei atomici, che presentano una forma approssimativamente sferica, il nucleo del radio ha una geometria asimmetrica simile a una pera. Questa peculiarità potrebbe amplificare eventuali segnali di violazione delle simmetrie fino a renderli osservabili sperimentalmente.
Ronald Fernando Garcia Ruiz, professore associato di fisica al MIT e coautore dello studio pubblicato sulla rivista Science il 23 ottobre, spiega che il nucleo del radio rappresenta un potenziale amplificatore naturale di queste anomalie: "Il suo nucleo è asimmetrico sia in carica che in massa, una caratteristica piuttosto insolita che potrebbe rivelarsi decisiva".
La strategia messa a punto dai ricercatori del MIT si basa su un principio elegante: utilizzare gli elettroni dell'atomo di radio come messaggeri dell'interno nucleare. Quando un atomo di radio viene legato chimicamente a un atomo di fluoruro, formando il monofluoruro di radio, gli elettroni vengono confinati in uno spazio ridotto. Questo aumento della densità elettronica incrementa drasticamente la probabilità che alcuni elettroni attraversino temporaneamente il nucleo.
Come spiega Silviu-Marian Udrescu, coautore dello studio e dottorando al MIT, il campo elettrico interno che gli elettroni sperimentano all'interno della molecola è di ordini di grandezza superiore a quello che si può produrre in laboratorio. In pratica, la molecola funziona come un acceleratore di particelle in miniatura da tavolo, offrendo un'alternativa compatta ai tradizionali impianti lunghi chilometri.
Gli esperimenti, condotti presso il CRIS (Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment) al CERN in Svizzera, hanno richiesto tecniche di misurazione estremamente sensibili. Il radio è naturalmente radioattivo, con un tempo di decadimento relativamente breve, e le molecole di monofluoruro di radio possono essere prodotte solo in quantità minuscole. I ricercatori hanno quindi dovuto sviluppare metodi capaci di rilevare variazioni energetiche infinitesimali.
Il team ha intrappolato e raffreddato le molecole, guidandole attraverso camere a vuoto e illuminandole con laser specificamente calibrati. Questa configurazione ha permesso misurazioni di precisione straordinaria delle energie elettroniche. Le analisi hanno rivelato uno scostamento sottile rispetto ai valori attesi per elettroni che non penetrano nel nucleo: una differenza di appena un milionesimo dell'energia del fotone laser utilizzato, ma sufficiente a dimostrare che gli elettroni avevano effettivamente interagito con protoni e neutroni all'interno del nucleo di radio.
Shane Wilkins, primo autore dello studio e già ricercatore postdottorato al MIT, chiarisce che esistono numerosi esperimenti che misurano le interazioni tra nuclei ed elettroni esterni, e le caratteristiche di queste interazioni sono ben note. Quando però hanno misurato con estrema precisione le energie elettroniche nel monofluoruro di radio, i risultati non corrispondevano alle aspettative basate su interazioni esclusivamente esterne. La discrepanza doveva quindi derivare da interazioni all'interno del nucleo.
Garcia Ruiz traccia un'analogia efficace per illustrare l'importanza della scoperta: è come riuscire a misurare il campo elettrico all'interno di una batteria, un'impresa molto più complessa rispetto alla misurazione del campo esterno. Questo nuovo approccio apre la strada alla mappatura della distribuzione magnetica nucleare, una proprietà che dipende dall'orientamento e dalla disposizione di protoni e neutroni, ciascuno dei quali si comporta come un minuscolo magnete.
I prossimi passi della ricerca prevedono di raffreddare ulteriormente le molecole e controllare l'orientamento dei nuclei a forma di pera, in modo da mapparne con precisione il contenuto interno e cercare prove concrete di violazioni delle simmetrie fondamentali. Le molecole contenenti radio sono considerate sistemi eccezionalmente sensibili per questo tipo di ricerche, e ora i fisici dispongono degli strumenti necessari per condurle.
Il lavoro, cui hanno contribuito anche Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu e Alex Brinson del MIT insieme a collaboratori di diverse istituzioni internazionali, è stato finanziato in parte dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. I risultati potrebbero aprire prospettive completamente nuove nello studio delle proprietà nucleari e fornire indizi preziosi per risolvere alcuni dei quesiti più urgenti della fisica moderna.
