Nieuwe 'desktop'-methode van MIT onthult atoomkernstructuur via moleculaire elektronen

Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een baanbrekende methode ontwikkeld om de interne structuur van de atoomkern te onderzoeken. Wat deze aanpak revolutionair maakt, is dat er geen grootschalige deeltjesversnellers voor nodig zijn. In plaats daarvan hebben de wetenschappers elektronen binnen een molecuul radiummonofluoride (RaF) ingezet als een soort interne sonde. Dit vertegenwoordigt in essentie een toegankelijke, 'desktop'-benadering van fundamentele fysica. De resultaten van deze significante doorbraak werden gepubliceerd in het gezaghebbende tijdschrift Science op 23 oktober 2025.

De kern van deze techniek ligt in de constructie van een molecuul waarbij een radiumatoom chemisch gebonden is aan een fluoratoom. Binnen deze specifieke moleculaire omgeving worden de elektronen die rond de radiumkern cirkelen blootgesteld aan een gigantisch intern elektrisch veld. Dit veld is aanzienlijk sterker dan wat onder normale laboratoriumomstandigheden kan worden gegenereerd. Deze extreme versterking vergroot de kans dat de elektronen kortstondig de radiumkern binnendringen en daar interageren met de aanwezige protonen en neutronen.

Wanneer de elektronen de kern verlaten, dragen ze een minuscule verschuiving in energie met zich mee – een soort 'nucleaire boodschap' – die de onderzoekers nauwkeurig hebben gemeten om inzicht te krijgen in de interne configuratie van de kern. Deze innovatieve techniek maakt het voor het eerst mogelijk om de nucleaire 'magnetische distributie' te kwantificeren, wat de onderlinge opstelling van de protonen en neutronen beschrijft.

Hoofdauteur Shane Wilkins beschreef het plaatsen van radioactief radium in een molecuul als een elegante wetenschappelijke zet, waardoor het molecuul functioneert als een microscopische deeltjesbotser (collider). Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met het CRIS (Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment) in CERN, Zwitserland, waar de cruciale metingen plaatsvonden. Tot het onderzoeksteam behoorden ook Ronald Garcia Ruiz en Silviu-Marian Udrescu.

Dit werk heeft verreikende implicaties, met name voor de kosmologie. De radiumkern bezit namelijk een ongebruikelijke peervormige asymmetrie, in schril contrast met de meeste kernen die sferisch zijn. Men vermoedt dat deze vervorming subtiele schendingen van fundamentele symmetrieën versterkt. Dergelijke schendingen zouden mogelijk een verklaring kunnen bieden voor de dominantie van materie boven antimaterie in het universum. Het succesvol in kaart brengen van de magnetische distributie levert cruciale empirische gegevens op voor theoretische modellen die deze kosmische onbalans proberen te duiden.

In tegenstelling tot conventionele benaderingen die kilometerslange versnellercomplexen vereisen, is de moleculaire methode aanzienlijk compacter en veel toegankelijker. Dit opent nieuwe perspectieven voor het bestuderen van andere instabiele radioactieve moleculen. Denk hierbij aan moleculen die mogelijk ontstaan bij kosmische verschijnselen, zoals in de nasleep van supernova's. De MIT-methode verbreedt daarmee de horizon van de fundamentele fysica, door geavanceerd kernonderzoek letterlijk naar de laboratoriumtafel te brengen.