Cząsteczki radu mogą ujawnić różnice między materią i antymaterią. Istotne okazały się gruszkowate jądra atomowe i niezwykle precyzyjne pomiary.
Przepis brzmi jak coś, czego zdecydowanie nie warto powtarzać w kuchni. Rad należy rozpuścić w wodzie, dodać słodzik, odparować płyn, a powstałą lepką masę rozsmarować na złotej folii. Potem wystarczą już tylko hel, temperatura około -268 st. C i kilka laserów. Tak naukowcy z Caltech przygotowali pierwsze zimne cząsteczki radu, które mogą pomóc odpowiedzieć na dość istotne pytanie: dlaczego w ogóle istniejemy?
Cukierek był radioaktywny, ale cukru ostatecznie w nim zabrakło
Rad jest dla fizyków materiałem jednocześnie wymarzonym, jak i wyjątkowo niewygodnym. Jest radioaktywny, bardzo reaktywny chemicznie, nie występuje w stabilnych odmianach i można bezpiecznie pracować jedynie z jego mikroskopijnymi ilościami. Naukowcy potrzebowali więc sposobu, aby niewielką porcję radu unieruchomić, zabezpieczyć i przenosić pomiędzy kolejnymi etapami doświadczenia. Postanowili stworzyć gęstą, lepką masę podobną do tej powstającej podczas produkcji cukierków.
Rad trafił do wody z cukrem, a następnie mieszaninę podgrzewano, aby usunąć płyn. Oczywiście nie obyło się bez problemów. Masa bulgotała, przypalała się i karmelizowała, a uzyskanie za każdym razem takich samych adekwatności okazało się niezwykle trudne. Ostatecznie zwykły cukier zastąpiono ksylitolem, czyli słodzikiem znanym chociażby z bezcukrowych gum do żucia. Dawał znacznie bardziej przewidywalne rezultaty. Gotową radioaktywną maź nanoszono kroplami na cienką złotą folię, która trafiała później do aparatury.
Nie był to więc cukierek w dosłownym znaczeniu. Nikt go nie formował, nie pakował w papierek i dla jasności absolutnie nie nadawał się on do jedzenia. Podobieństwo dotyczyło sposobu zagęszczania składników. Fajne w tej historii jest jednak to, iż jedna z największych zagadek Wszechświata może zostać zaatakowana przy użyciu techniki przypominającej gotowanie karmelu.
Radioaktywną masę wsadzili do lodówki i ostrzelali laserami
Złota folia została umieszczona w urządzeniu wielkości niewielkiej lodówki. Cała aparatura ma mniej niż 1 m wysokości i mieści się na laboratoryjnym stole, a więc bardzo daleko jej do ogromnych akceleratorów cząstek znanych z CERN-u. Wewnątrz komory krążył hel schłodzony do około -268 st. C, czyli zaledwie kilku stopni powyżej zera absolutnego. Nie chodziło jednak o zamrożenie radu w kostkę. Atomy i powstające z nich cząsteczki pozostawały w gazie, ale traciły niemal całą chaotyczną energię ruchu.
Następnie w folię uderzały impulsy lasera, które wybijały z powierzchni atomy radu. Kolejne wiązki światła wprowadzały je w stan zwiększonej reaktywności chemicznej. W zimnej komorze atomy łączyły się z innymi składnikami i tworzyły trzy rodzaje cząsteczek: monohydroksyd radu RaOH, jego odmianę z deuterem RaOD oraz monofluorek radu RaF.
Badacze po raz pierwszy wytworzyli te radioaktywne cząsteczki w schłodzonej postaci w niewielkim eksperymencie laboratoryjnym, a następnie prześwietlili ich strukturę dzięki precyzyjnej spektroskopii laserowej.
Kluczowe w tym wszystkim jest chłodzenie. W gorącym gazie cząsteczki pędzą w różnych kierunkach, zderzają się i obracają, przez co ich sygnały energetyczne rozmazują się. Po schłodzeniu ruch zwalnia, a fizycy mogą znacznie dokładniej mierzyć poszczególne stany kwantowe. Innymi słowy, cząsteczki wreszcie przestają się wiercić i pozwalają sobie zrobić naprawdę dokładne zdjęcie.
Dlaczego Wszechświat nie zamienił się w błysk światła?
Zgodnie z podstawowymi prawami fizyki podczas narodzin Wszechświata materia i antymateria powinny powstawać w niemal równych ilościach. Każda cząstka materii ma antycząstkę o tej samej masie, ale przeciwnych niektórych adekwatnościach. Elektronowi odpowiada dodatnio naładowany pozyton, a protonowi antyproton. Gdy materia spotyka antymaterię, obie ulegają anihilacji i zamieniają się w energię.
Gdyby po Wielkim Wybuchu zachowały idealną równowagę, praktycznie wszystko powinno się wzajemnie unicestwić. Nie byłoby galaktyk, planet, ludzi ani choćby artykułów zastanawiających się, dlaczego nie ma ludzi.
Tymczasem materia wygrała. Antymateria wciąż istnieje i można ją wytwarzać, ale we Wszechświecie występuje jedynie w śladowych ilościach. Jak pisaliśmy w tekście: Załadowali na pakę antymaterię. Kierowca musiał się zdziwić, fizycy potrafią dziś przechowywać niewielkie chmury antyprotonów i przewozić je w specjalnych kriogenicznych pułapkach. przez cały czas nie wiedzą jednak, co przechyliło kosmiczną szalę na stronę zwykłej materii.
Znane przypadki łamania symetrii zawarte w Modelu Standardowym są zbyt słabe, aby wyjaśnić obserwowaną przewagę materii. Musi istnieć jeszcze jakiś proces, nieznana cząstka albo oddziaływanie, którego dotąd nie udało się złapać.
Jądro radu wygląda jak gruszka. I właśnie o to chodzi
Rad jest bardzo dobrym kandydatem do poszukiwania takiej nowej fizyki ze względu na nietypowy kształt jądra atomowego. Większość jąder przypomina kulę albo wydłużoną piłkę. Niektóre izotopy radu mają natomiast trwałe odkształcenie przypominające gruszkę.
Taka asymetryczna konstrukcja może bardzo mocno wzmacniać efekty związane z łamaniem symetrii przestrzennej i odwrócenia czasu. W porównaniu z niemal kulistymi jądrami potencjalne sygnały mogą być większe choćby ponad 1000 razy.
Cząsteczka działa przy tym trochę jak naturalny wzmacniacz albo antena. Atomy połączone wiązaniami wytwarzają wewnętrzne pola elektryczne, które uwydatniają mikroskopijne przesunięcia poziomów energii. Fizyk nie musi więc bezpośrednio zobaczyć nowej cząstki. Może zauważyć minimalną zmianę pozostawioną przez jej oddziaływanie z elektronami lub jądrem radu.
Właśnie takich odstępstw szuka zespół Caltech. o ile energia cząsteczki zmieni się w sposób zabroniony przez znaną fizykę, może to być ślad nowych sił oraz dodatkowego mechanizmu łamania symetrii między materią i antymaterią.
Jak pisaliśmy w tekście: Nie powinno nas tu być. Polski fizyk wyjaśnił, dlaczego Wszechświat nie zniknął, istnieją różne hipotezy próbujące wyjaśnić przewagę materii. Eksperyment z radem nie zakłada jednak z góry konkretnego rozwiązania. Próbuje po prostu sprawdzić, czy przy odpowiednio dużej precyzji natura zdradzi odstępstwo od obowiązujących reguł.
Na razie nie wyjaśnili naszego istnienia
Zespół nie wykrył nowej cząstki, nie zmierzył nieznanej siły i nie udowodnił, dlaczego materia pokonała antymaterię. Osiągnięcie dotyczy przygotowania narzędzia. Badacze pokazali, iż potrafią z bezpiecznej, mikroskopijnej porcji radu wytworzyć zimne cząsteczki, wykryć je i przeprowadzić spektroskopię o wysokiej rozdzielczości. Do tej pory właśnie produkcja i opanowanie materiału były potężną przeszkodą.
Kolejnym krokiem będą jeszcze dokładniejsze pomiary oraz ochrona eksperymentu przed polami elektrycznymi, magnetycznymi i innymi źródłami szumu. Poszukiwany efekt może być tak subtelny, iż drganie aparatury albo niewielka zmiana pola w laboratorium łatwo go przykryje.
Ale już sama możliwość wykonywania takich badań na stole jest naprawdę ciekawa. Wielki Zderzacz Hadronów poszukuje nowej fizyki, rozbijając cząstki przy ogromnych energiach. Zespół Caltech wybiera drogę odwrotną: schładza skomplikowane cząsteczki prawie do całkowitego bezruchu i patrzy, czy któraś z nich drgnie w sposób, którego nie przewidują równania.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
