Erstmals kalte Radium-Moleküle im Labor erzeugt: Neuer Schlüssel zur Antimaterie-Frage

Warum Radium für die Materie-Antimaterie-Frage wertvoll ist

Radiums Kern ist birnenförmig (oktupol-deformiert) . Die meisten Atomkerne sind kugelförmig oder leicht länglich (wie Orangen oder Melonen), aber birnenförmige Kerne sind asymmetrisch. Diese Deformation verstärkt die Empfindlichkeit gegenüber symmetrieverletzenden Effekten dramatisch – um etwa das 1000-Fache im Vergleich zu kugelförmigen Kernen . In Kombination mit der molekularen Empfindlichkeitssteigerung gegenüber Atomen (nochmals etwa 1000-fach) sind Radium-Moleküle außergewöhnlich leistungsfähige Sonden für Physik jenseits des Standardmodells .

Wie die Forscher die Herausforderungen der Handhabung meisterten

Radium ist hochradioaktiv, hochreaktiv und nur in winzigen Mengen verfügbar (Ausgangsmaterial war etwa 1 mg ²²⁶Ra-Nitratsalz, was einer Aktivität von etwa 1 mCi entspricht) . Das Team entwickelte eine mehrstufige Lösung:

• Neuartige Target-Herstellung: Sie lösten das Radiumsalz auf, tropften mikrogrammgroße Portionen auf Goldfolie und kombinierten sie mit festen Reagenz-Targets (z. B. Calciumhydroxid für RaOH) in einer Kupferzelle .
• Laserablation in kryogenem Puffergas: Ein gepulster Laser verdampfte die Reagenzien, und die entstehenden Radikale reagierten in der Gasphase innerhalb einer auf etwa 4 K gekühlten Zelle, die mit Helium-Puffergas gefüllt war . Das kalte Puffergas kühlte die Moleküle sofort herunter.
• Optisch angetriebene Chemie: Für RaOH wurde die Reaktion Ra + H₂O → RaOH + H durch die Laserablation angetrieben; die Moleküle wurden dann mittels laserinduzierter Fluoreszenz mit extrem niedrigem Hintergrund nachgewiesen .
• Sicherheit und Eindämmung: Der gesamte Tischaufbau ist kompakt (unter 1 m hoch) und abgedichtet, sodass die Radioaktivität sicher eingeschlossen bleibt, während Laserstrahlen für die Spektroskopie zugänglich sind .

Der Prozess wurde mit der Herstellung von Süßigkeiten verglichen: Die Targetplatte fungiert wie ein Lutscherstiel, das Radiumsalz wie der Zucker und das kalte Puffergas wie der Kühlschritt, der das Endprodukt verfestigt .

Nächste experimentelle Schritte

• Laserkühlung und optisches Einfangen: Die gemessenen Molekülspektren zeigen, dass RaOH und RaF elektronische Strukturen aufweisen, die mit Laserkühlung kompatibel sind. Dies ermöglicht den nächsten Schritt: die Erzeugung von ultrakalten, gefangenen Proben .
• Quantenpräzisionsmessungen: Mit kalten, gefangenen Radium-Molekülen werden die Forscher hochempfindliche Suchen nach elektrischen Dipolmomenten (EDMs) und nuklearen Schiff-Momenten durchführen – Signale neuer Teilchen und Kräfte, die die Materie-Antimaterie-Asymmetrie erklären würden .
• Molekulare Uhrenprotokolle: Ein ergänzender Ansatz mit „konstruierten molekularen Uhren“ aus schweren Ytterbium-Molekülen zielt darauf ab, Dekohärenz und Rauschen zu unterdrücken und die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen .
• Ausweitung auf andere exotische Kerne: Die Methode ist darauf ausgelegt, auf andere seltene, oktupol-deformierte Kerne (z. B. Radon, Protactinium) übertragen zu werden, und eröffnet so ein breiteres Programm molekularer Quantensensorik .