Parity violation in molecular magnetic resonance properties

The Standard Model of particle physics consists of the quantum electrodynamics (QED) and the weak and strong nuclear interactions. The QED is the basis for molecular properties, and thus it defines much of the world we see. The weak nuclear interaction is responsible for decays of nuclei, among other things, and in principle, it should also effects at the molecular scale. The strong nuclear interaction is hidden in interactions inside nuclei. From the high-energy and atomic experiments it is known that the weak interaction does not conserve parity. Consequently, the weak interaction and specifically the exchange of the Z^0 boson between a nucleon and an electron induces small energy shifts of different sign for mirror image molecules. This in turn will make the other enantiomer of a molecule energetically favorable than the other and also shifts the spectral lines of the mirror image pair of molecules into different directions creating a split. Parity violation (PV) in molecules, however, has not been observed. The topic of this thesis is how the weak interaction affects certain molecular magnetic properties, namely certain parameters of nuclear magnetic resonance (NMR) and electron spin resonance (ESR) spectroscopies. The thesis consists of numerical estimates of NMR and ESR spectral parameters and investigations of the effects of different aspects of quantum chemical computations to them. PV contributions to the NMR shielding and spin-spin coupling constants are investigated from the computational point of view. All the aspects of quantum chemical electronic structure computations are found to be very important, which makes accurate computations challenging. Effects of molecular geometry are also investigated using a model system of polysilyene chains. PV contribution to the NMR shielding constant is found to saturate after the chain reaches a certain length, but the effects of local geometry can be large. Rigorous vibrational averaging is also performed for a relatively small and rigid molecule. Vibrational corrections to the PV contribution are found to be only a couple of per cents. PV contributions to the ESR g-tensor are also evaluated using a series of molecules. Unfortunately, all the estimates are below the experimental limits, but PV in some of the heavier molecules comes close to the present day experimental resolution.

Hiukkasfysiikan standardimalli koostuu kvanttielektrodynamiikasta, heikosta vuorovaikutuksesta ja vahvasta vuorovaikutuksesta. Kvanttielektrodynamiikka kuvaa sähkömagneettista vuorovaikutusta kappaleiden välillä ja näin ollen molekyylitason ilmiöt johtuvat pääasiassa siitä. Vahva vuorovaikutus tapahtuu pääasiassa ydinten sisällä, joten sen suora vaikutus molekyylien ominaisuuksiin on olematon. Heikko vuorovaikutus on osallisena mm. ydinten radioaktiivisessa hajoamisessa mutta periaatteessa se vaikuttaa myös stabiilien ytimien ja elektronien välillä, joten sillä on vaikutusta myös molekyylitasolla. Hiukkasfysiikan ja atomitason kokeista tiedetään, että heikko vuorovaikutus ei säilytä peilisymmetriaa. Molekyylitasolla tämä ilmenee siten, että saman molekyylin erikätisillä muodoilla on hiukan erilaiset ominaisuudet. Näiden eroavaisuuksien teoreettinen tutkiminen ydinmagneettisessa resonanssispektroskopiassa (NMR) ja elektronin spin resonanssispektroskopiassa on tämän väitöskirjan aihe. Väitöskirjassa on tutkittu eri menetelmien vaikutusta näiden ominaisuuksen laskemiseen ja havaittu, että eroavaisuuksien tarkka ennustaminen on laskennallisesti erittäin haastavaa. Valitettavasti lasketut ennusteet ovat kuitenkin kokeellisen tarkkuuden alapuolella. Ero ei kuitenkaan ole kaikissa tapauksissa kovin suuri, joten on mahdollista, että peilisymmetrian rikko havaitaan molekyylitasolla tulevaisuudessa. Jos eroavaisuus molekyylien ominaisuuksissa havaitaan NMR spektroskopiassa, voidaan yhdistämällä tulokset tarkkoihin laskuihin tehdä myös johtopäätöksiä ydinten ominaisuuksista.