Холодные молекулы радиоактивного радия впервые получены в лаборатории: шаг к разгадке тайны антиматерии

Почему радий важен для вопроса о материи и антиматерии

Ядро радия имеет грушевидную (октупольную) форму . Большинство атомных ядер сферичны или слегка вытянуты, но грушевидные ядра асимметричны. Эта деформация значительно (примерно в 1000 раз) усиливает чувствительность к эффектам, нарушающим симметрию (CP-нарушению), которые могли бы объяснить, почему во Вселенной материя преобладает над антиматерией . В сочетании с усилением на молекулярном уровне (еще примерно в 1000 раз по сравнению с атомами) молекулы радия становятся необычайно мощными зондами для физики за пределами Стандартной модели .

Как исследователи преодолели трудности обращения с радием

Радий чрезвычайно радиоактивен, химически активен и доступен лишь в микроскопических количествах (исходный образец — около 1 мг нитрата радия-226, что соответствует примерно 1 мКи активности) . Команда разработала многоступенчатое решение:

• Новый способ приготовления мишени: Соль радия растворяли, микрограммовые дозы наносили на золотую подложку и помещали вместе с твердыми реагентами (например, гидроксидом кальция для RaOH) в медную ячейку .
• Лазерная абляция в криогенном буферном газе: Импульсный лазер испарял реагенты, а образующиеся радикалы реагировали в газовой фазе внутри ячейки, охлажденной гелием до ≈4 К. Буферный газ немедленно термализовал молекулы .
• Оптически управляемая химия: Для RaOH реакция Ra + H₂O → RaOH + H инициировалась лазерной абляцией, а молекулы детектировались с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции с чрезвычайно низким фоном .
• Безопасность и герметизация: Компактная установка (высотой менее 1 м) полностью герметична, что удерживает радиоактивность внутри, но позволяет лазерам проводить спектроскопию .

Процесс сравнили с приготовлением леденцов: мишень — палочка, соль радия — сахар, а холодный буферный газ — этап охлаждения, затвердевающий конечный продукт .

Следующие экспериментальные шаги

• Лазерное охлаждение и оптический захват: Измеренные спектры показывают, что электронная структура RaOH и RaF совместима с лазерным охлаждением, что открывает путь к получению сверххолодных захваченных образцов .
• Квантовые прецизионные измерения: С холодными захваченными молекулами радия исследователи проведут поиск электрических дипольных моментов (ЭДМ) и ядерных моментов Шиффа — сигналов новых частиц и сил, которые могли бы объяснить асимметрию материи и антиматерии .
• Протоколы «молекулярных часов»: Дополнительный подход с использованием «инженерных молекулярных часов» на основе тяжелых молекул иттербия призван подавить декогеренцию и шум, еще больше повысив чувствительность .
• Распространение на другие экзотические ядра: Метод спроектирован так, чтобы быть применимым к другим редким октупольно-деформированным ядрам (например, радон, протактиний), что открывает более широкую программу молекулярного квантового зондирования .