Nøkkelen til universets største gåte kan finnes i kalde radiummolekyler

Hvorfor radium er verdifullt for materie–antimaterie-gåten

Radiums kjerne er pæreformet (oktupol-deformert) . De fleste atomkjerner er kuleformede eller svakt avlange (som appelsiner eller vannmeloner), men pæreformede kjerner er asymmetriske. Denne deformasjonen forsterker følsomheten for symmetribrytende effekter dramatisk — i størrelsesorden 1000 ganger større enn sfæriske kjerner — og kan forklare hvorfor materie dominerte over antimaterie i det tidlige universet . Sammen med molekylenes følsomhetsforsterkning sammenlignet med atomer (ytterligere ~1000×), blir radiummolekyler ekstraordinært kraftige verktøy for å lete etter fysikk utover Standardmodellen .

Hvordan forskerne overvant utfordringene med håndtering

Radium er svært radioaktivt, ekstremt reaktivt og finnes bare i bitte små mengder (utgangspunktet var ~1 mg ²²⁶Ra-nitratsalt, tilsvarende omtrent 1 mCi aktivitet) . Teamet utviklet en flertrinns løsning:

• Ny målproduksjon: De løste opp radiumsaltet, dryppet mikrogram-små mengder på gullfolie og satte dem sammen med faste reagensmål (f.eks. kalsiumhydroksid for RaOH) i en kobbercelle .
• Laserablasjon i kryogen buffergass: En pulsert laser fordampte reagensene, og de resulterende radikalene reagerte i gassfasen inne i en celle holdt ved ~4 K av en heliumbuffergass . Den kalde buffergassen termaliserte molekylene umiddelbart.
• Optisk drevet kjemi: For RaOH ble reaksjonen Ra + H₂O → RaOH + H drevet av laserablasjon; molekylene ble deretter påvist via laserindusert fluorescens med ekstremt lav bakgrunn .
• Sikkerhet og innkapsling: Hele oppsettet er kompakt (under 1 m høyt) og forseglet, slik at radioaktiviteten forblir innkapslet mens laserlys slipper inn for spektroskopi .

Prosessen ble sammenlignet med å lage godteri: målplaten fungerer som en slikkepinne, radiumsaltet som sukker, og den kalde buffergassen som kjøletrinnet som størkner sluttproduktet .

Neste eksperimentelle steg

• Laserkjøling og optisk fangst: De målte molekylspektrene viser at RaOH og RaF har elektronstrukturer som er kompatible med laserkjøling, noe som muliggjør neste steg: produksjon av ultrakalde, fangede prøver .
• Kvantepresisjonsmålinger: Med kalde, fangede radiummolekyler vil forskerne utføre høypresisjonssøk etter elektriske dipolmomenter (EDM) og nukleære Schiff-momenter — signaler på nye partikler og krefter som kan forklare materie–antimaterie-asymmetrien .
• Molekylære klokkeprotokoller: En komplementær tilnærming med "konstruerte molekylære klokker" av tunge ytterbiummolekyler tar sikte på å undertrykke dekoherens og støy, og dermed øke følsomheten ytterligere .
• Utvidelse til andre eksotiske kjerner: Metoden er designet for å kunne generaliseres til andre sjeldne, oktupol-deformerte kjerner (f.eks. radon, protactinium), noe som åpner for et bredere program av molekylær kvantesensing .