Forskere skaber kolde radioaktive molekyler for første gang – kan løse antistof-gåden

Hvorfor radium er værdifuldt i spørgsmålet om stof og antistof

Radiums kerne er pæreformet (oktupol-deformeret) . De fleste atomkerner er kugleformede eller let aflange (som appelsiner eller vandmeloner), men pæreformede kerner er asymmetriske. Denne deformation forstærker følsomheden over for symmetri-krænkende effekter dramatisk — i størrelsesordenen 1.000 gange mere end sfæriske kerner — som kan forklare, hvorfor stof dominerede over antistof i det tidlige univers . Kombineret med molekylers forstærkning i forhold til atomer (yderligere ca. 1.000×), er radium-molekyler ekstraordinært kraftfulde sonder til fysik uden for Standardmodellen .

Hvordan forskerne overvandt udfordringerne

Radium er stærkt radioaktivt, yderst reaktivt og kun tilgængeligt i små mængder (startende med ca. 1 mg ²²⁶Ra-nitratsalt, svarende til ca. 1 mCi aktivitet) . Holdet udviklede en flertrinsløsning:

• Ny målproduktion: De opløste radiumsaltet, overførte mikrogram-store portioner til guldfoil og parrede dem med faste reaktantmål (f.eks. calciumhydroxid til RaOH) inde i en kobbercelle .
• Laserablation i kryogen buffergas: En pulserende laser fordamper reaktanterne, og de resulterende radikaler reagerer i gasfasen inde i en celle, der afkøles til ca. 4 K med helium-buffergas . Den kolde buffergas termaliserer straks molekylerne.
• Optisk drevet kemi: For RaOH blev reaktionen Ra + H₂O → RaOH + H drevet af laserablation; molekylerne blev derefter detekteret via laserinduceret fluorescens med ekstremt lav baggrund .
• Sikkerhed og indeslutning: Hele bordopstillingen er kompakt (under 1 m høj) og forseglet, så radioaktiviteten holdes inde, mens laserlys kan trænge ind til spektroskopi .

Processen er blevet sammenlignet med at lave slik: målpladen fungerer som en slikkepind, radiumsaltet som sukker, og den kolde buffergas som afkølingstrinnet, der størkner det endelige produkt .

Næste eksperimentelle skridt

• Laserafkøling og optisk indfangning: De målte molekylspektre viser, at RaOH og RaF har elektroniske strukturer, der er kompatible med laserafkøling, hvilket muliggør næste skridt mod ultrakolde, indfangede prøver .
• Kvantepræcisionsmålinger: Med kolde, indfangede radiummolekyler vil forskerne udføre højpræcisionssøgninger efter elektriske dipolmomenter (EDM) og nukleare Schiff-momenter — signaler på nye partikler og kræfter, der ville forklare stof-antistof-asymmetrien .
• Molekylære urprotokoller: En komplementær tilgang med konstruerede molekylære ure med tunge ytterbium-molekyler sigter mod at undertrykke dekoherens og støj og dermed øge følsomheden yderligere .
• Udvidelse til andre eksotiske kerner: Metoden er designet til at kunne generaliseres til andre sjældne, oktupol-deformerede kerner (f.eks. radon, protactinium), hvilket åbner for et bredere program af molekylær kvantesensing .