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Al CERN la prima spettroscopia laser di una molecola radioattiva di breve durata

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The Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy (CRIS) setup at CERN’s nuclear-physics facility ISOLDE / Le dispositif de spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy - CRIS) à ISOLDE, l'installation de physique nucléaire au CERN (Image: CERN)

Un gruppo internazionale di sperimentatori e teorici che lavora presso la struttura di fisica nucleare del CERN “ISOLDE” è riuscito a eseguire le prime misurazioni in assoluto di spettroscopia laser di una molecola radioattiva di breve durata, il monofluoruro di radio.

Per i fisici che studiano molecole, la spettroscopia laser, in cui la luce viene proiettata sulle molecole per rivelare la loro struttura energetica, è uno strumento di base nella cassetta degli attrezzi. Fino ad ora, tuttavia, i ricercatori non erano stati in grado di utilizzare la tecnica per studiare molecole radioattive di breve durata, che contengono uno o più nuclei instabili.

Rispetto agli atomi, tali molecole offrono un mezzo superiore per esplorare le simmetrie fondamentali della natura e per cercare nuovi fenomeni fisici. I risultati, pubblicati nei giorni scorsi sulla rivista Nature, rappresentano un passo fondamentale verso l’utilizzo di queste molecole per la ricerca di fisica fondamentale e oltre.

Studi ad alta precisione di molecole radioattive di breve durata

“Le nostre misurazioni dimostrano che le molecole di monofluoruro di radio possono essere raffreddate a temperature tali da consentire ai ricercatori di investigarle in modo straordinario”, afferma il ricercatore principale Ronald Garcia Ruiz. “I nostri risultati aprono la strada a studi ad alta precisione di molecole radioattive di breve durata, che offrono un laboratorio nuovo e unico per la ricerca nella fisica fondamentale e in altri campi.”

Le molecole di monofluoruro di radio sono particolarmente interessanti perché contengono radio, alcuni isotopi hanno nuclei a forma di pera, con più massa a un’estremità rispetto all’altra. Queste forme esotiche amplificano i processi che rompono le simmetrie fondamentali della natura e potrebbero rivelare nuovi fenomeni fisici oltre il Modello Standard. Questo modello di fisica delle particelle, sviluppato nei primi anni ’70, ha spiegato con successo quasi tutti i risultati sperimentali e ha predetto con precisione un’ampia varietà di fenomeni.

Superare il Modello Standard

Ad esempio, i processi che interrompono la simmetria di inversione del tempo, ovvero che variano se si scambia in avanti nel tempo per tornare indietro, darebbero alle particelle un momento di dipolo elettrico. Questo può essere pensato come uno spostamento della nuvola di particelle virtuali che circondano ogni particella elementare dal centro di massa.

Il Modello Standard prevede un momento di dipolo elettrico diverso da zero ma molto piccolo, ma le teorie al di là del Modello Standard spesso prevedono valori più grandi.

Le forme a pera nucleare amplificherebbero un momento di dipolo elettrico putativo e offrirebbero quindi un mezzo sensibile per sondare nuovi fenomeni oltre il Modello Standard, uno che potrebbe essere complementare alla ricerca in fisica in collettori di particelle ad alta energia come il Large Hadron Collider.

L’attuale esperimento si basa su indagini teoriche sulla struttura energetica del monofluoruro di radio. Sulla base di queste indagini, è stato previsto che la molecola è suscettibile al raffreddamento laser, per cui i laser vengono utilizzati per raffreddare atomi o molecole per studi di alta precisione.

“Questo studio di spettroscopia laser sul monofluoruro di radio presso ISOLDE fornisce una prova evidente che le molecole possono davvero essere raffreddate dal laser”, afferma il portavoce di ISOLDE Gerda Neyens.

Isotopi radioattivi sparanti dal sincrotone del CERN

Garcia Ruiz e colleghi hanno usato il seguente metodo per ottenere i loro risultati. Dopo aver prodotto isotopi di radio radioattivo sparando protoni dal booster sincrotone del CERN su un bersaglio di carburo di uranio, si sono formati ioni mono-fluoruro di radio circondando il bersaglio con gas di tetrafluoruro di carbonio. Gli ioni monofluoruro di radio sono stati quindi inviati attraverso la configurazione della spettroscopia a ionizzazione di risonanza collineare (CRIS) di ISOLDE, dove gli ioni sono stati trasformati in molecole neutre. Queste sono state successivamente sottoposte a un raggio laser che le ha spinte a stati energetici eccitati a frequenze laser specifiche. Un sottoinsieme di queste molecole eccitate è stato quindi ionizzato con un secondo raggio laser e deviato su un rivelatore di particelle per l’analisi.

Analizzando gli spettri misurati delle molecole eccitate ionizzate, il team è stato in grado di identificare i livelli di energia bassi delle molecole e alcune delle proprietà che dimostrano che le molecole possono essere raffreddate al laser per futuri studi di precisione.

“La nostra tecnica ha permesso lo studio di molecole di monofluoruro di radio che hanno una durata di vita di pochi giorni e sono prodotte a velocità inferiori a un milione di molecole al secondo”, afferma Garcia Ruiz.

Oltre al loro potenziale nell’esplorazione delle simmetrie fondamentali, le molecole costituite da isotopi di breve durata possono essere molto abbondanti nello spazio, ad esempio nei resti di supernovae o nel gas espulso dalle fusioni di stelle di neutroni.

 

 

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