放射性ラジウム分子の世界初の冷却に成功：反物質の謎に迫る画期的な実験

ラジウムが物質・反物質問題にとって重要な理由

ラジウムの原子核は洋梨型（八重極変形） という特徴的な形状を持っています。多くの原子核は球形またはわずかに楕円形（オレンジやスイカのような形）ですが、洋梨型の原子核は非対称です。この変形により、対称性を破る効果に対する感度が球形核と比較して約1000倍も増幅され、宇宙初期に物質が反物質を凌駕した理由を説明できる可能性があります。さらに、分子による感度増強効果（原子と比較して約1000倍）と組み合わせることで、ラジウム分子は標準理論を超えた物理を探る非常に強力なプローブとなります。

研究チームが克服した取り扱い上の課題

ラジウムは高放射性で反応性が高く、極微量（出発原料は約1mgの²²⁶Ra硝酸塩、これは約1mCiの放射能に相当）しか入手できません。研究チームは、以下の多段階の解決策を開発しました。

• 新規ターゲット作製法: ラジウム塩を溶解し、マイクログラム単位のアリコットを金箔上に滴下・乾燥させ、固体試薬ターゲット（RaOHの場合は水酸化カルシウムなど）と共に銅セル内に設置します。
• 極低温バッファーガス中のレーザーアブレーション: パルスレーザーで試薬を気化させ、生成したラジカルを約4Kに保持されたヘリウムバッファーガス中で気相反応させます。冷たいバッファーガスが分子を即座に熱化（冷却）します。
• 光駆動化学反応: RaOHの場合、レーザーアブレーションによってRa + H₂O → RaOH + Hの反応を駆動し、生成した分子を極低バックグラウンドのレーザー誘起蛍光法で検出します。
• 安全性と封じ込め: 装置全体はコンパクト（高さ1m未満）で密閉されており、放射能を封じ込めつつ、レーザー光を導入して分光測定を行えるよう設計されています。

このプロセスは、あたかもキャンディを作るように例えられています。ターゲットプレートが棒、ラジウム塩が砂糖、冷たいバッファーガスが冷却工程に相当し、最終的に分子が「固まる」というイメージです。

今後の実験ステップ

• レーザー冷却と光トラッピング: 測定された分子スペクトルは、RaOHとRaFがレーザー冷却に適した電子構造を持つことを示しており、超冷状態でトラップされた分子試料の生成が次の目標です。
• 量子精密測定: 冷却・トラップされたラジウム分子を用いて、電気双極子モーメント（EDM） や核シフモーメントの高精度探索を実施します。これらは、物質・反物質非対称性を説明する新しい粒子や力のシグナルとなります。
• 分子時計プロトコル: 重いイッテルビウム分子を用いた「設計分子時計」による相補的アプローチも並行して進められ、デコヒーレンスとノイズを抑制して感度をさらに高めることを目指します。
• 他のエキゾチック核種への拡張: 開発された手法は、他の希少な八重極変形核種（ラドンやプロトアクチニウムなど）にも応用可能で、分子量子センシングの広範なプログラムの幕開けとなります。