Forskare skapar kalla radiummolekyler – kan lösa antimateriens gåta

Vad gör radium värdefullt för frågan om materia och antimateria

Radiums atomkärna är päronformad (oktupol-deformerad) . De flesta atomkärnor är sfäriska eller något avlånga (som apelsiner eller vattenmeloner), men päronformade kärnor är asymmetriska. Denna deformation ökar dramatiskt känsligheten för symmetribrytande effekter – ungefär 1 000 gånger högre än för sfäriska kärnor – som skulle kunna förklara varför materia dominerade över antimateria i det tidiga universum . I kombination med molekylens förstärkning jämfört med atomer (ytterligare ungefär 1 000 gånger) blir radiummolekyler extremt kraftfulla verktyg för att studera fysik bortom standardmodellen .

Hur forskarna övervann hanteringsutmaningarna

Radium är mycket radioaktivt, mycket reaktivt och finns bara i små mängder (man började med cirka 1 mg ²²⁶Ra-nitratsalt, vilket motsvarar cirka 1 mCi aktivitet) . Teamet utvecklade en lösning i flera steg:

• Ny måltillverkning: De löste upp radiumsaltet, deponerade mikrogramsstora mängder på guld foil och parade dem med fasta reaktanter (t.ex. kalciumhydroxid för RaOH) i en koppar cell .
• Laserablation i kryogen buffertgas: En pulsad laser förångade reaktanterna och de bildade radikalerna reagerade i gasfas inuti en cell som hölls vid cirka 4 K med hjälp av helium som buffertgas . Den kalla buffertgasen kylde omedelbart molekylerna.
• Optiskt driven kemi: För RaOH drevs reaktionen Ra + H₂O → RaOH + H av laserablation; molekylerna detekterades sedan via laserinducerad fluorescens med extremt låg bakgrund .
• Säkerhet och inneslutning: Hela bänklabbandningen är kompakt (under 1 meter hög) och förseglad, vilket håller radioaktiviteten innesluten samtidigt som laserljus kan komma in för spektroskopi .

Processen har liknats vid att göra godis: målplattan fungerar som en klubba, radiumsaltet som socker och den kalla buffertgasen som kylningssteget som stelnar slutprodukten .

Nästa experimentella steg

• Laserkylning och optisk infångning: De uppmätta molekylspektra visar att RaOH och RaF har elektronstrukturer som är kompatibla med laserkylning, vilket möjliggör nästa steg: att producera ultrakalla, infångade prover .
• Kvantprecisionmätningar: Med kalla, infångade radiummolekyler ska forskarna göra högprecisa sökningar efter elektriska dipolmoment (EDM) och nukleära Schiffmoment – signaler på nya partiklar och krafter som skulle förklara materiens dominans över antimateria .
• Molekylklockprotokoll: En kompletterande metod med ”konstruerade molekylklockor” med tunga ytterbiummolekyler syftar till att undertrycka dekoherens och brus, vilket ytterligare ökar känsligheten .
• Utvidgning till andra exotiska kärnor: Metoden är utformad för att vara generaliserbar till andra sällsynta, oktupol-deformerade kärnor (t.ex. radon, protaktinium), vilket öppnar för ett bredare program av molekylär kvantavkänning .