Des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont combiné la puissance d'un super collisionneur avec des techniques de spectroscopie laser pour mesurer avec précision une molécule radioactive à courte durée de vie, monofluorure de radium, pour la première fois.

Les études de précision des molécules radioactives ouvrent la possibilité aux scientifiques de rechercher une nouvelle physique au-delà du modèle standard, tels que les phénomènes qui violent certaines symétries fondamentales de la nature, et rechercher des signes de matière noire. La technique expérimentale de l'équipe pourrait également être utilisée pour effectuer des études en laboratoire de molécules radioactives produites dans des processus astrophysiques.

"Nos résultats ouvrent la voie à des études de haute précision de molécules radioactives à courte durée de vie, qui pourrait offrir un nouveau et unique laboratoire de recherche en physique fondamentale et dans d'autres domaines, " dit l'auteur principal de l'étude, Ronald Fernando Garcia Ruiz, professeur assistant de physique au MIT.

Les collègues de Garcia Ruiz incluent Alex Brinson, un étudiant diplômé du MIT, avec une équipe internationale de chercheurs travaillant au CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, à Genève. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue La nature .

Temps d'inversion

La molécule la plus simple est constituée de deux atomes, chacun avec un noyau comprenant un certain nombre de protons et de neutrons qui rendent un atome plus lourd que l'autre. Chaque noyau est entouré d'un nuage d'électrons. En présence d'un champ électrique, ces électrons peuvent être redistribués pour créer un champ électrique extrêmement important au sein de la molécule.

Les physiciens ont utilisé des molécules et leurs champs électriques comme laboratoires miniatures pour étudier les propriétés fondamentales des électrons et autres particules subatomiques. Par exemple, lorsqu'un électron lié interagit avec le champ électrique de la molécule, son énergie peut changer en conséquence, que les scientifiques peuvent mesurer pour déduire les propriétés de l'électron, tel que son moment dipolaire électrostatique, qui fournit une mesure de son écart par rapport à une forme sphérique.

Selon le modèle standard de la physique des particules, les particules élémentaires doivent être à peu près sphériques, ou avoir un moment dipolaire électrostatique négligeable. Si, cependant, il existe un moment dipolaire électrique permanent d'une particule ou d'un système, cela impliquerait que certains processus dans la nature ne sont pas aussi symétriques que les physiciens l'avaient supposé.

Par exemple, les physiciens croient que la plupart des lois fondamentales de la physique devraient rester inchangées avec la direction du temps, un principe connu sous le nom de symétrie par inversion du temps. C'est-à-dire, que le temps avance ou recule, la gravité, par exemple, devrait faire tomber une balle d'une falaise, ou reculer, sur le même chemin en vitesse et en espace. Si, cependant, un électron n'est pas parfaitement sphérique, cela indiquerait que la symétrie d'inversion temporelle est violée. Cette violation fournirait une condition indispensable pour expliquer pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans notre univers.

En étudiant les interactions d'un électron avec des champs électriques très forts, les scientifiques pourraient avoir une chance de mesurer avec précision leurs moments dipolaires électriques. Dans certaines molécules, plus leurs atomes sont lourds, plus leur champ électrique interne est fort. Les molécules radioactives, celles contenant au moins un noyau instable, peuvent être adaptées pour maximiser leurs champs électriques internes. De plus, les noyaux radioactifs lourds peuvent avoir des formes en poire, ce qui peut amplifier leurs propriétés de violation de la symétrie.

En raison de leurs champs électriques élevés et de leurs formes nucléaires uniques, les molécules radioactives feraient des laboratoires naturels pour sonder non seulement la structure de l'électron, mais aussi des propriétés nucléaires violant la symétrie. Mais ces molécules sont de courte durée, et les scientifiques ont été incapables de les cerner.

"Ces molécules radioactives sont très rares dans la nature et certaines d'entre elles sont introuvables sur notre planète, mais peut être abondant dans les processus astrophysiques tels que les explosions stellaires, ou fusions d'étoiles à neutrons, " dit Garcia Ruiz. " Nous devons donc les fabriquer artificiellement, et les principaux défis ont été qu'ils ne peuvent être produits qu'en petites quantités à des températures élevées, et peut être de très courte durée."

Une aiguille dans le noir

L'équipe a cherché un moyen de fabriquer du monofluorure de radium, ou RaF - une molécule radioactive qui contient un très lourd, atome de radium instable, et un atome de fluorure. Cette molécule est particulièrement intéressante car certains isotopes du noyau du radium sont eux-mêmes asymétriques, ressemblant à une poire, avec plus de masse à une extrémité du noyau qu'à l'autre.

Quoi de plus, les théoriciens avaient prédit que la structure énergétique du monofluorure de radium rendrait la molécule sensible au refroidissement laser, une technique qui utilise des lasers pour faire baisser la température des molécules, et les ralentir suffisamment pour effectuer des études de précision. Alors que la plupart des molécules ont de nombreux états d'énergie qu'elles peuvent occuper, avec un grand nombre d'états vibrationnels et rotationnels, il s'avère que le monofluorure de radium favorise les transitions électroniques entre quelques niveaux d'énergie principaux - une molécule inhabituellement simple à contrôler, en utilisant le refroidissement laser.

L'équipe a pu mesurer des molécules de RaF en fabriquant d'abord de petites quantités de la molécule à l'aide du séparateur de masse d'isotopes en ligne du CERN, ou installation ISOLDE au CERN, qu'ils ont ensuite manipulés et étudiés avec des lasers à l'aide de l'expérience Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS).

Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé le propulseur de synchrotron à protons du CERN, une série d'anneaux qui reçoit des protons d'un accélérateur de particules et accélère les protons. L'équipe a tiré ces protons sur une cible en carbure d'uranium, à des énergies si élevées que l'assaut a détruit l'uranium, produire une pluie de protons et de neutrons qui se mélangent pour former un mélange de noyaux radioactifs, y compris le radium.

Les chercheurs ont ensuite injecté un gaz de tétrafluorure de carbone, qui a réagi avec le radium pour se charger, ou des molécules ioniques de monofluorure de radium, qu'ils ont séparés du reste des sous-produits de l'uranium grâce à un système d'aimants de séparation de masse. Ils ont ensuite immobilisé les molécules dans un piège à ions et les ont entourées d'hélium gazeux, qui a suffisamment refroidi les molécules pour que les chercheurs puissent les mesurer.

Prochain, l'équipe a mesuré les molécules en les réaccélérant et en les faisant passer dans la configuration CRIS, où les molécules ioniques interagissaient avec des atomes de sodium qui donnaient un électron à chaque molécule pour neutraliser le faisceau de molécules en vol. Les molécules neutres ont ensuite continué à travers une région d'interaction, où les chercheurs ont également braqué deux faisceaux laser - un rouge, l'autre bleu.

L'équipe a réglé la fréquence du laser rouge vers le haut et vers le bas, et trouvé qu'à certaines longueurs d'onde le laser résonnait avec les molécules, exciter un électron dans la molécule à un autre niveau d'énergie, de telle sorte que le laser bleu ait alors assez d'énergie pour retirer l'électron de la molécule. Les molécules excitées par résonance, rendu ionique à nouveau, ont été déviés et collectés sur un détecteur de particules, permettant aux chercheurs de mesurer, pour la première fois, leur niveau d'énergie, et les propriétés moléculaires associées qui démontrent que la structure de ces molécules est bien favorable au refroidissement laser.

"Avant nos mesures, tous les niveaux d'énergie de ces molécules étaient inconnus, " dit Garcia Ruiz. " Cela a été comme essayer de trouver une aiguille dans une pièce sombre, plusieurs centaines de mètres de large. Maintenant que nous avons trouvé l'aiguille, nous pouvons mesurer les propriétés de cette aiguille et commencer à jouer avec."