Un team di fisici del Massachusetts Institute of Technology ha messo a punto una tecnica rivoluzionaria che permette di esplorare l'interno del nucleo atomico sfruttando gli stessi elettroni dell'atomo come "messaggeri" molecolari. La ricerca, pubblicata sulla rivista Science, potrebbe aprire nuove prospettive per rispondere a uno dei quesiti più enigmatici della cosmologia moderna: perché nell'universo osserviamo una quantità di materia enormemente superiore rispetto all'antimateria. Il metodo sviluppato rappresenta un'alternativa da laboratorio agli enormi acceleratori di particelle tradizionalmente necessari per studiare le strutture nucleari.
Il gruppo di ricerca guidato da Ronald Fernando Garcia Ruiz ha concentrato gli esperimenti su molecole di monofluoruro di radio, create combinando atomi di radio con atomi di fluoruro. La scelta del radio non è casuale: a differenza della maggior parte dei nuclei atomici che presentano una forma sferica, il nucleo di radio possiede una configurazione asimmetrica simile a una pera. Questa peculiarità strutturale potrebbe amplificare notevolmente la capacità degli scienziati di rilevare violazioni delle simmetrie fondamentali della natura, fenomeni che secondo le teorie potrebbero spiegare lo squilibrio tra materia e antimateria nell'universo.
La tecnica sperimentale si basa su un principio ingegnoso: quando un atomo di radio viene inserito all'interno di una molecola, il campo elettrico interno sperimentato dai suoi elettroni diventa enormemente più intenso rispetto a qualsiasi campo producibile in laboratorio. Come spiega Silviu-Marian Udrescu, coautore dello studio, la molecola funziona essenzialmente come un gigantesco acceleratore di particelle in miniatura. Questa amplificazione naturale comprime efficacemente gli elettroni del radio, aumentando drasticamente la probabilità che essi penetrino brevemente nel nucleo dell'atomo e interagiscano con protoni e neutroni al suo interno.
Gli scienziati hanno sottoposto le molecole di monofluoruro di radio a un processo di raffreddamento e intrappolamento, facendole poi transitare attraverso un sistema di camere a vuoto dove venivano colpite da fasci laser. Questa configurazione ha permesso di misurare con estrema precisione l'energia degli elettroni all'interno di ciascuna molecola. I risultati hanno rivelato una leggera variazione energetica rispetto ai valori attesi teoricamente per elettroni che non penetrano nel nucleo, sebbene questa differenza fosse minuscola, pari a circa un milionesimo dell'energia del fotone laser utilizzato per eccitare le molecole.
Shane Wilkins, primo autore dello studio e ricercatore presso il MIT, chiarisce il significato di questa scoperta: esistono numerosi esperimenti che misurano le interazioni tra nuclei ed elettroni esterni, e i fisici conoscono bene le caratteristiche di tali interazioni. Quando però hanno misurato con estrema precisione queste energie elettroniche, i valori non corrispondevano a quanto previsto assumendo interazioni esclusivamente esterne al nucleo. La discrepanza doveva necessariamente derivare da interazioni degli elettroni all'interno del nucleo stesso.
Tradizionalmente, per sondare l'interno dei nuclei atomici sono necessarie infrastrutture colossali: acceleratori lunghi chilometri che spingono fasci di elettroni a velocità sufficienti per collidere con i nuclei e frantumarli. Il nuovo approccio molecolare offre invece un'alternativa da banco di laboratorio, particolarmente preziosa considerando che il radio è naturalmente radioattivo, ha una breve durata di vita e attualmente può essere prodotto solo in quantità microscopiche sotto forma di monofluoruro.
La tecnica sviluppata consente di misurare la distribuzione magnetica nucleare, una proprietà fondamentale della fisica atomica. All'interno del nucleo, ciascun protone e neutrone si comporta come un piccolo magnete, allineandosi in modi diversi a seconda di come protoni e neutroni sono distribuiti spazialmente. Il team del MIT intende ora applicare il proprio metodo per mappare con precisione questa caratteristica del nucleo di radio per la prima volta, potenzialmente rilevando quelle violazioni delle simmetrie fondamentali che potrebbero gettare luce sul mistero cosmologico dell'asimmetria materia-antimateria.
Secondo la comprensione scientifica attuale, all'origine dell'universo dovevano esistere quantità pressoché uguali di materia e antimateria. Tuttavia, la stragrande maggioranza di ciò che oggi possiamo misurare e osservare nel cosmo è costituita da materia, i cui mattoni fondamentali sono proprio i protoni e neutroni contenuti nei nuclei atomici. Questa osservazione contrasta nettamente con le previsioni del Modello Standard, la teoria che descrive le particelle fondamentali e le loro interazioni, suggerendo che esistano fonti aggiuntive di violazione delle simmetrie fondamentali necessarie per spiegare l'assenza quasi totale di antimateria nell'universo osservabile.
Garcia Ruiz, professore associato di fisica al MIT, sottolinea come i risultati ottenuti costituiscano le fondamenta per studi successivi finalizzati a misurare violazioni delle simmetrie fondamentali a livello nucleare. Il nucleo di radio, con la sua insolita asimmetria sia di carica che di massa, è previsto agire come un amplificatore di questa rottura di simmetria, rendendo potenzialmente osservabili fenomeni altrimenti troppo deboli per essere rilevati. La capacità ora dimostrata di campionare l'interno del nucleo è paragonabile, secondo Garcia Ruiz, alla possibilità di misurare il campo elettrico all'interno di una batteria, un'impresa estremamente più complessa rispetto alla misurazione del campo esterno.
Gli esperimenti condotti presso il Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment al CERN di Ginevra hanno finora coinvolto nuclei di radio orientati casualmente all'interno delle molecole ad alta temperatura. Il prossimo obiettivo del team è raffreddare ulteriormente queste molecole e controllare l'orientamento dei loro nuclei a forma di pera, in modo da mappare con precisione i loro contenuti e dare la caccia alle violazioni delle simmetrie fondamentali della natura. Le molecole contenenti radio sono considerate sistemi eccezionalmente sensibili per questa ricerca, e ora gli scienziati dispongono dello strumento per condurla efficacemente.