Het universum opereert volgens een fundamenteel principe van symmetrie: de wetten van de natuurkunde zouden in gelijke mate van toepassing moeten zijn op tijd en ruimte. Hoewel dit geldt voor de meeste verschijnselen, zoals zwaartekracht en elektromagnetisme, vertonen bepaalde aspecten van de natuur kleine onevenwichtigheden die wetenschappers moeilijk kunnen verklaren. Eén zo’n mysterie ligt in radioactieve kernen. Deze atoomkernen versterken met hun ongelijkmatige verdeling van protonen en neutronen zelfs de zwakste breuken in de symmetrie.
Wetenschappers geloven dat het blootleggen van deze asymmetrieën zou kunnen leiden tot doorbraken die verder gaan dan ons huidige begrip van de natuurkunde, zoals beschreven door het Standaardmodel. Een team van onderzoekers van CERN en MIT heeft een gigantische sprong in de richting van dit doel gemaakt. Voor het eerst hebben ze waargenomen hoe magnetisme wordt verdeeld binnen de kern van een molecuul – een prestatie die voorheen onmogelijk was vanwege technische beperkingen.
Een unieke moleculaire avocado
De sleutel tot deze doorbraak ligt in een specifiek radioactief molecuul: radiummonofluoride (RaF). Deze ongebruikelijke verbinding bestaat uit een radiumatoom gebonden aan een fluoratoom. De radiumkern, bekend om zijn ‘octupole-vervorming’, heeft een duidelijke peerachtige of avocado-vorm – een zeldzaam kenmerk dat slechts in een handvol atoomkernen over de hele kernkaart wordt aangetroffen. Deze asymmetrie maakt RaF een ideale kandidaat voor het detecteren van subtiele symmetrieschendingen.
Het bestuderen van RaF brengt echter aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Radium is notoir radioactief en vervalt snel binnen ongeveer 15 dagen. Deze instabiliteit betekent dat wetenschappers slechts minieme hoeveelheden van het molecuul kunnen produceren en deze gedurende vluchtige momenten kunnen bestuderen. Elk RaF-molecuul bestaat slechts een fractie van een seconde voordat het verdwijnt.
Het ontmaskeren van nucleair magnetisme
Om deze hindernissen te overwinnen, gebruikten de onderzoekers de ISOLDE-faciliteit van CERN om radium-225 te genereren en dit te combineren met fluorgas. Dit proces resulteerde in een continue stroom nauwelijks waarneembare RaF-moleculen; slechts ongeveer vijftig per seconde voldeden aan de noodzakelijke voorwaarden voor meting.
Met behulp van zeer nauwkeurige laserstralen, afgestemd op specifieke frequenties, bombardeerden ze deze vluchtige moleculen. De absorptie of emissie van licht door het molecuul produceerde een spectrum: een unieke vingerafdruk die informatie onthult over de verdeling van elektronen rondom de kern. In dit geval wezen onverwachte verschuivingen binnen de spectrale patronen echter op iets diepers: de invloed van het interne magnetisme van de radiumkern op de ronddraaiende elektronen.
Dit fenomeen, bekend als het Bohr-Weisskopf-effect, was eerder waargenomen bij individuele atomen, waarbij een enkel elektron interageert met een enkele kern. Het detecteren ervan in een molecuul was ongekend vanwege de constante beweging van elektronen tussen de twee kernen in een molecuul, waardoor magnetische signalen kunnen worden verduisterd. Maar in RaF stelde het eenvoudigere fluoratoom onderzoekers in staat zich te concentreren op de magnetische structuur van de zwaardere radiumkern.
Een venster op de nieuwe natuurkunde?
Deze baanbrekende observatie – een directe meting van magnetisme in de kern van een molecuul – opent opwindende nieuwe wegen voor onderzoek. Het team is nu van plan deze moleculen op te vangen en te vertragen met lasers, waardoor nog nauwkeurigere metingen mogelijk zijn die nog meer kleine schendingen van de symmetrie aan het licht kunnen brengen. Dergelijke bevindingen zouden kunnen wijzen op onbekende deeltjes of krachten buiten het standaardmodel, wat een revolutie teweeg zou brengen in ons begrip van het universum.
Zoals Wilkins concludeert: “Nu weten we dat ze krachtige hulpmiddelen kunnen zijn bij het zoeken naar nieuwe natuurkunde.”
