Průlom s radioaktivním radiem: chladné molekuly mají pomoci rozluštit záhadu chybějící antihmoty

Proč je radium klíčové pro otázku hmoty a antihmoty

Jádro radia má hruškovitý tvar (oktupólově deformované) . Většina atomových jader je sférických nebo mírně protáhlých (jako pomeranče či melouny), ale hruškovitá jádra jsou asymetrická. Tato deformace dramaticky zvyšuje citlivost na efekty narušující symetrii – až tisíckrát oproti kulatým jádrům – což by mohlo vysvětlit, proč v raném vesmíru hmota převládla nad antihmotou . V kombinaci se zesílením, které poskytují molekuly oproti atomům (dalších ~1000×), představují molekuly radia mimořádně silné sondy pro fyziku za hranicemi Standardního modelu .

Jak výzkumníci překonali nástrahy práce s radiem

Radium je vysoce radioaktivní, mimořádně reaktivní a dostupné jen v nepatrných množstvích (výchozí vzorek obsahoval ~1 mg dusičnanu radnatého, což odpovídá aktivitě asi 1 mCi) . Tým vyvinul několikakrokové řešení:

• Nový způsob přípravy terčíku: Rozpustili radium ve formě soli, nakapali mikrogramové dávky na zlatou fólii a spojili ji s terčíkem z pevného reaktantu (např. hydroxidem vápenatým pro RaOH) uvnitř měděné cely .
• Laserová ablace v kryogenním pufrovacím plynu: Pulzní laser odpařil reaktanty a vzniklé radikály zreagovaly v plynné fázi uvnitř cely chlazené heliem na ~4 K . Chladný pufrovací plyn okamžitě termalizoval molekuly.
• Opticky řízená chemie: U RaOH probíhala reakce Ra + H₂O → RaOH + H přímo díky laserové ablaci; molekuly byly detekovány laserem indukovanou fluorescencí s extremně nízkým pozadím .
• Bezpečnost a uzavření: Celé zařízení je kompaktní (výška pod 1 m) a dokonale utěsněné, takže radioaktivita zůstává uvnitř, zatímco lasery mají přístup pro spektroskopii .

Proces výzkumníci přirovnávají k výrobě cukroví: terčík funguje jako špejle na lízátko, radium je cukr a chladný pufrovací plyn představuje krok chlazení, který ztuhne konečný produkt .

Další experimentální kroky

• Laserové chlazení a optické pasti: Naměřená spektra ukazují, že RaOH a RaF mají elektronovou strukturu vhodnou pro laserové chlazení – dalším krokem je výroba ultrachladných zachycených vzorků .
• Kvantová přesná měření: S chladnými zachycenými molekulami radia budou vědci hledat elektrické dipólové momenty (EDM) a nukleární Schiffovy momenty – signály nových částic a sil, které by vysvětlily asymetrii hmoty a antihmoty .
• Molekulární hodiny: Doplňkový přístup využívající „inženýrské molekulární hodiny“ s těžkým ytterbiem má za cíl potlačit dekoherenci a šum a dále zvýšit citlivost .
• Rozšíření na další exotická jádra: Metoda je navržena jako univerzální – lze ji použít i pro jiná vzácná oktupólově deformovaná jádra (např. radon, protaktinium), což otevírá širší program molekulárního kvantového snímání .