Imaginez une particule de poussière dans un nuage d'orage, et vous pouvez avoir une idée de l'insignifiance d'un neutron par rapport à la magnitude de la molécule qu'il habite.

Mais tout comme un grain de poussière peut affecter la trajectoire d'un nuage, un neutron peut influencer l'énergie de sa molécule alors qu'il fait moins d'un millionième de sa taille. Et maintenant, les physiciens du MIT et d'ailleurs ont réussi à mesurer le minuscule effet d'un neutron dans une molécule radioactive.

L'équipe a développé une nouvelle technique pour produire et étudier des molécules radioactives à courte durée de vie avec des nombres de neutrons qu'elles peuvent contrôler avec précision. Ils ont sélectionné à la main plusieurs isotopes de la même molécule, chacun avec un neutron de plus que le suivant. Lorsqu'ils ont mesuré l'énergie de chaque molécule, ils ont pu détecter de petits, changements presque imperceptibles de la taille nucléaire, sous l'effet d'un seul neutron.

Le fait qu'ils aient pu voir de si petits effets nucléaires suggère que les scientifiques ont maintenant la possibilité de rechercher de telles molécules radioactives pour des effets encore plus subtils, causée par la matière noire, par exemple, ou par les effets de nouvelles sources de violations de symétrie liées à certains des mystères actuels de l'univers.

« Si les lois de la physique sont symétriques comme nous le pensons, alors le Big Bang aurait dû créer la même quantité de matière et d'antimatière. Le fait que la plupart de ce que nous voyons est matière, et il n'y a qu'environ une partie par milliard d'antimatière, signifie qu'il y a une violation des symétries les plus fondamentales de la physique, d'une manière que nous ne pouvons pas expliquer avec tout ce que nous savons, " dit Ronald Fernando Garcia Ruiz, professeur assistant de physique au MIT.

"Maintenant, nous avons une chance de mesurer ces violations de symétrie, en utilisant ces molécules radioactives lourdes, qui ont une sensibilité extrême aux phénomènes nucléaires que nous ne pouvons pas voir dans d'autres molécules dans la nature, ", dit-il. "Cela pourrait apporter des réponses à l'un des principaux mystères de la création de l'univers."

Ruiz et ses collègues ont publié aujourd'hui leurs résultats dans Lettres d'examen physique .

Une asymétrie particulière

La plupart des atomes dans la nature hébergent un noyau sphérique, avec des neutrons et des protons uniformément répartis. Mais dans certains éléments radioactifs comme le radium, les noyaux atomiques sont étrangement en forme de poire, avec une répartition inégale des neutrons et des protons à l'intérieur. Les physiciens émettent l'hypothèse que cette distorsion de forme peut augmenter la violation des symétries qui ont donné naissance à la matière dans l'univers.

"Les noyaux radioactifs pourraient nous permettre de voir facilement ces effets de violation de symétrie, " déclare l'auteur principal de l'étude Silviu-Marian Udrescu, un étudiant diplômé du département de physique du MIT. "L'inconvénient est, ils sont très instables et vivent très peu de temps, nous avons donc besoin de méthodes sensibles pour les produire et les détecter, vite."

Plutôt que d'essayer d'identifier les noyaux radioactifs par eux-mêmes, l'équipe les a placés dans une molécule qui amplifie encore la sensibilité aux violations de symétrie. Les molécules radioactives sont constituées d'au moins un atome radioactif, lié à un ou plusieurs autres atomes. Chaque atome est entouré d'un nuage d'électrons qui génèrent ensemble un champ électrique extrêmement élevé dans la molécule qui, selon les physiciens, pourrait amplifier les effets nucléaires subtils, tels que les effets de la violation de symétrie.

Cependant, en dehors de certains processus astrophysiques, comme la fusion d'étoiles à neutrons, et des explosions stellaires, les molécules radioactives d'intérêt n'existent pas dans la nature et doivent donc être créées artificiellement. Garcia Ruiz et ses collègues ont affiné des techniques pour créer des molécules radioactives en laboratoire et étudier avec précision leurs propriétés. L'année dernière, ils ont rendu compte d'une méthode pour produire des molécules de monofluorure de radium, ou RaF, une molécule radioactive qui contient un atome de radium instable et un atome de fluorure.

Dans leur nouvelle étude, l'équipe a utilisé des techniques similaires pour produire des isotopes RaF, ou des versions de la molécule radioactive avec un nombre variable de neutrons. Comme ils l'ont fait dans leur expérience précédente, les chercheurs ont utilisé le séparateur de masse isotopique en ligne, ou ISOLDE, installation au CERN, à Genève, La Suisse, produire de petites quantités d'isotopes RaF.

L'installation abrite un faisceau de protons de faible énergie, que l'équipe a dirigé vers une cible - un disque de carbure d'uranium de la taille d'un demi-dollar, sur lequel ils ont également injecté un gaz de fluorure de carbone. Les réactions chimiques qui ont suivi ont produit un zoo de molécules, dont RaF, que l'équipe a séparés à l'aide d'un système précis de lasers, Champs électromagnétiques, et pièges à ions.

Les chercheurs ont mesuré la masse de chaque molécule pour estimer le nombre de neutrons dans le noyau de radium d'une molécule. Ils ont ensuite trié les molécules par isotopes, selon leur nombre de neutrons.

À la fin, ils ont trié des grappes de cinq isotopes différents de RaF, chacun portant plus de neutrons que le suivant. Avec un système séparé de lasers, l'équipe a mesuré les niveaux quantiques de chaque molécule.

"Imaginez une molécule vibrant comme deux boules sur un ressort, avec une certaine quantité d'énergie, " explique Udrescu, qui est un étudiant diplômé du Laboratoire de science nucléaire du MIT. "Si vous modifiez le nombre de neutrons dans l'une de ces boules, la quantité d'énergie pourrait changer. Mais un neutron est 10 millions de fois plus petit qu'une molécule, et avec notre précision actuelle, nous ne nous attendions pas à ce qu'en changer un créerait une différence d'énergie, mais il l'a fait. Et nous avons pu clairement voir cet effet."

Udrescu compare la sensibilité des mesures à la capacité de voir comment le mont Everest, placé à la surface du soleil, pourrait, pourtant minutieusement, changer le rayon du soleil. Par comparaison, voir certains effets de violation de symétrie serait comme voir comment la largeur d'un seul cheveu humain modifierait le rayon du soleil.

Les résultats démontrent que les molécules radioactives telles que le RaF sont ultrasensibles aux effets nucléaires et que leur sensibilité peut probablement se révéler plus subtile, effets inédits, telles que de minuscules propriétés nucléaires violant la symétrie, cela pourrait aider à expliquer l'asymétrie matière-antimatière de l'univers.

"Ces molécules radioactives très lourdes sont particulières et ont une sensibilité aux phénomènes nucléaires que nous ne pouvons pas voir dans d'autres molécules dans la nature, " dit Udrescu. "Cela montre que, lorsque nous commençons à rechercher des effets de violation de symétrie, nous avons de grandes chances de les voir dans ces molécules."