Przełom w fizyce: Naukowcy po raz pierwszy schłodzili cząsteczki radu

Dlaczego rad jest tak ważny dla zagadki materii i antymaterii

Jądro atomu radu ma kształt gruszki (deformacja oktupolowa) . Większość jąder atomowych jest sferyczna lub lekko wydłużona (jak pomarańcze czy arbuzy), ale jądra gruszkowate są asymetryczne. Ta deformacja dramatycznie zwiększa czułość na efekty naruszające symetrię — nawet o rząd wielkości 1000 razy w porównaniu z jądrami sferycznymi . Gdy połączy się to z faktem, że same cząsteczki są około 1000 razy czulsze niż pojedyncze atomy, cząsteczki radu stają się niezwykle potężnymi sondami do badania fizyki wykraczającej poza Model Standardowy . Efekty te mogą wyjaśnić, dlaczego we wczesnym Wszechświecie materia zdominowała antymaterię.

Jak naukowcy poradzili sobie z wyzwaniami

Praca z radem jest niezwykle trudna. Jest on silnie radioaktywny, bardzo reaktywny chemicznie i dostępny w śladowych ilościach (zaczynali od ~1 mg soli azotanowej ²²⁶Ra, co odpowiada aktywności około 1 mCi) . Zespół opracował wieloetapowe rozwiązanie:

• Nowatorskie przygotowanie tarczy: Rozpuścili sól radu, nanieśli mikrogramowe porcje na złotą folię i połączyli ją z litymi substratami (np. wodorotlenkiem wapnia dla RaOH) wewnątrz miedzianego bloku .
• Ablacja laserowa w kriogenicznym gazie buforowym: Impulsowy laser odparowywał substraty, a powstałe rodniki reagowały w fazie gazowej wewnątrz komory schłodzonej do ~4 K helem . Zimny gaz buforowy natychmiast termalizował cząsteczki.
• Optycznie napędzana chemia: W przypadku RaOH reakcja Ra + H₂O → RaOH + H była inicjowana ablacją laserową; cząsteczki wykrywano następnie za pomocą fluorescencji wzbudzanej laserem o ekstremalnie niskim tle .
• Bezpieczeństwo i hermetyczność: Całe urządzenie jest kompaktowe (poniżej 1 m wysokości) i szczelne, co zapewnia bezpieczeństwo przy jednoczesnym dostępie laserów do wnętrza .

Proces porównano do robienia cukierków: płytka z próbką działa jak patyczek do lizaka, sól radu jak cukier, a zimny gaz buforowy jak etap chłodzenia, który zestala finalny produkt .

Kolejne kroki w eksperymentach

• Laserowe chłodzenie i pułapki optyczne: Zmierzone widma pokazują, że RaOH i RaF mają struktury elektronowe kompatybilne z chłodzeniem laserowym, co otwiera drogę do produkcji ultra-zimnych, uwięzionych próbek .
• Precyzyjne pomiary kwantowe: Z zimnymi, uwięzionymi cząsteczkami radu naukowcy przeprowadzą poszukiwania elektrycznych momentów dipolowych (EDM) oraz jądrowych momentów Schiffa — sygnałów istnienia nowych cząstek i sił, które mogłyby wyjaśnić asymetrię materia-antymateria .
• Zegary molekularne: Równoległe podejście wykorzystujące “inżynieryjne zegary molekularne” z ciężkimi cząsteczkami iterbu ma na celu tłumienie dekoherencji i szumów, dodatkowo zwiększając czułość .
• Rozszerzenie na inne egzotyczne jądra: Opracowana metoda jest zaprojektowana jako uniwersalna i może być stosowana do innych rzadkich, zdeformowanych oktupolowo jąder (np. radonu, protaktynu), otwierając szeroki program kwantowego wykrywania .