Wetenschappers maken voor het eerst koude radiummoleculen: een doorbraak in de jacht op antimaterie

Wat radium waardevol maakt voor de materie-antimaterie kwestie

De kern van radium is peer-vormig (octupool-vervormd) . De meeste atoomkernen zijn bolvormig of iets langwerpig (als sinaasappels of watermeloenen), maar peer-vormige kernen zijn asymmetrisch. Deze vervorming versterkt de gevoeligheid voor symmetrie-schendende effecten dramatisch – ongeveer 1000 keer meer dan bolvormige kernen – die zouden kunnen verklaren waarom materie de overhand kreeg op antimaterie in het vroege universum . In combinatie met de moleculaire gevoeligheidsversterking ten opzichte van atomen (nog eens ~1000×) zijn radiummoleculen buitengewoon krachtige instrumenten om natuurkunde buiten het Standaardmodel te onderzoeken .

Hoe onderzoekers de uitdagingen overwonnen

Radium is zeer radioactief, zeer reactief en slechts in zeer kleine hoeveelheden beschikbaar (ze begonnen met ~1 mg ²²⁶Ra-nitraatzout, wat overeenkomt met ongeveer 1 mCi aan activiteit) . Het team ontwikkelde een oplossing in meerdere stappen:

• Nieuwe doelwitproductie: Ze losten radiumzout op, brachten microgram-hoeveelheden aan op goudfolie en combineerden dit met vaste reagensdoelwitten (bijv. calciumhydroxide voor RaOH) in een koperen cel .
• Laserablatie in cryogeen buffergas: Een gepulste laser verdampte de reagentia, waarna de radicalen in de gasfase reageerden in een cel die op ~4 K werd gehouden door een helium-buffergas . Het koude buffergas bracht de moleculen onmiddellijk op de juiste temperatuur.
• Optisch gestuurde chemie: Voor RaOH werd de reactie Ra + H₂O → RaOH + H aangedreven door laserablatie; moleculen werden vervolgens gedetecteerd via laser-geïnduceerde fluorescentie met een zeer lage achtergrond .
• Veiligheid en insluiting: De hele tafelopstelling is compact (minder dan 1 m hoog) en afgesloten, waardoor de radioactiviteit veilig blijft terwijl laserlicht voor spectroscopie wordt toegelaten .

Het proces werd vergeleken met het maken van snoep: de doelwitplaat fungeert als een lollystokje, het radiumzout als suiker en het koude buffergas als de koelstap die het eindproduct laat stollen .

Volgende experimentele stappen

• Laserkoeling en optisch vangen: De gemeten moleculaire spectra tonen aan dat RaOH en RaF elektronische structuren hebben die compatibel zijn met laserkoeling, wat de volgende stap mogelijk maakt: het produceren van ultrakoude, gevangen monsters .
• Quantum-precisiemetingen: Met koude, gevangen radiummoleculen zullen onderzoekers uiterst precieze zoektochten uitvoeren naar elektrische dipoolmomenten (EDM's) en nucleaire Schiff-momenten – signalen van nieuwe deeltjes en krachten die de materie-antimaterie asymmetrie zouden verklaren .
• Moleculaire klokprotocollen: Een complementaire aanpak met 'ontworpen moleculaire klokken' op basis van zware ytterbiummoleculen is gericht op het onderdrukken van decoherentie en ruis, wat de gevoeligheid verder vergroot .
• Uitbreiding naar andere exotische kernen: De methode is ontworpen om generaliseerbaar te zijn naar andere zeldzame, octupool-vervormde kernen (bijv. radon, protactinium), wat een breder programma van moleculaire quantum-sensoren opent .