นักวิทยาศาสตร์สร้างโมเลกุลเรเดียมเย็นยะเยือกได้สำเร็จเป็นครั้งแรก เปิดทางไขปริศนาสสาร-ปฏิสสารในจักรวาล

ทำไมเรเดียมถึงสำคัญต่อคำถามเรื่องสสาร-ปฏิสสาร

นิวเคลียสของเรเดียมมี รูปร่างคล้ายลูกแพร์ (หรือที่เรียกว่า octupole deformation) โดยปกติแล้วนิวเคลียสของอะตอมส่วนใหญ่จะมีลักษณะกลมหรือรีเล็กน้อย (เหมือนส้มหรือแตงโม) แต่การที่นิวเคลียสมีรูปร่างเหมือนลูกแพร์นั้นมีความไม่สมมาตร การเสียรูปนี้ ช่วยเพิ่มความไวต่อผลกระทบที่ละเมิดสมมาตรได้อย่างมาก — ประมาณ 1,000 เท่าเมื่อเทียบกับนิวเคลียสทรงกลม — ซึ่งอาจอธิบายได้ว่าทำไมสสารถึงครอบงำปฏิสสารในเอกภพยุคแรกเริ่ม เมื่อรวมกับความไวที่เพิ่มขึ้นของโมเลกุลเมื่อเทียบกับอะตอม (อีกประมาณ 1,000 เท่า) ทำให้โมเลกุลเรเดียมเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังอย่างยิ่งในการตรวจสอบฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน

ทีมวิจัยเอาชนะความท้าทายในการจัดการเรเดียมได้อย่างไร

เรเดียมมีกัมมันตภาพรังสีสูง ทำปฏิกิริยาง่าย และมีให้ใช้ในปริมาณน้อยมาก (เริ่มต้นด้วยเกลือเรเดียมไนเตรต ²²⁶Ra ปริมาณประมาณ 1 มก. ซึ่งมีระดับกัมมันตภาพรังสีประมาณ 1 มิลลิคูรี) ทีมวิจัยได้พัฒนาแนวทางแก้ไขปัญหาหลายขั้นตอน:

• การผลิตเป้าหมายแบบใหม่: พวกเขาละลายเกลือเรเดียม หยด aliquot ขนาดไมโครกรัมลงบนฟอยล์ทองคำ และจับคู่กับเป้าหมายรีเอเจนต์แข็ง (เช่น แคลเซียมไฮดรอกไซด์สำหรับสร้าง RaOH) ภายในเซลล์ทองแดง
• การระเหยด้วยเลเซอร์ในแก๊สบัฟเฟอร์เย็น: เลเซอร์พัลส์จะทำให้รีเอเจนต์กลายเป็นไอ และอนุมูลอิสระที่ได้จะเกิดปฏิกิริยาในสถานะแก๊สภายในเซลล์ที่ถูกทำให้เย็นลงที่ ~4 K ด้วยแก๊สบัฟเฟอร์ฮีเลียม แก๊สบัฟเฟอร์เย็นจะทำให้โมเลกุลมีอุณหภูมิคงที่ทันที
• เคมีที่ขับเคลื่อนด้วยแสง: สำหรับ RaOH ปฏิกิริยา Ra + H₂O → RaOH + H ถูกขับเคลื่อนด้วยการระเหยด้วยเลเซอร์ จากนั้นโมเลกุลจะถูกตรวจพบผ่านการเรืองแสงที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ซึ่งมีสัญญาณพื้นหลังต่ำมาก
• ความปลอดภัยและการกักเก็บ: อุปกรณ์บนโต๊ะทั้งหมดมีขนาดกะทัดรัด (สูงไม่ถึง 1 เมตร) และถูกปิดผนึก ทำให้กัมมันตภาพรังสีถูกกักเก็บไว้ในขณะที่ยังเปิดทางให้เลเซอร์ทำการตรวจวัดสเปกโทรสโกปีได้

กระบวนการนี้ถูกเปรียบเทียบเหมือนการทำลูกอม: แผ่นเป้าหมายเปรียบเสมือนแท่งลูกอม, เกลือเรเดียมเปรียบเสมือนน้ำตาล และแก๊สบัฟเฟอร์เย็นเปรียบเสมือนขั้นตอนการทำให้เย็นลงเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ขั้นตอนการทดลองถัดไป

• การทำให้เย็นด้วยเลเซอร์และการกักขังด้วยแสง: สเปกตรัมโมเลกุลที่วัดได้แสดงให้เห็นว่า RaOH และ RaF มีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เข้ากันได้กับการทำให้เย็นด้วยเลเซอร์ ซึ่งเป็นก้าวต่อไปในการผลิตตัวอย่างที่เย็นยิ่งยวดและถูกกักขังไว้
• การวัดความแม่นยำระดับควอนตัม: ด้วยโมเลกุลเรเดียมที่เย็นและถูกกักขัง นักวิจัยจะทำการค้นหา โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า (EDMs) และ โมเมนต์ Schiff นิวเคลียร์ ที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งเป็นสัญญาณของอนุภาคและแรงใหม่ที่จะอธิบายความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสาร
• โปรโตคอลนาฬิกาโมเลกุล: แนวทางเสริมอีกแนวทางหนึ่งที่ใช้ "นาฬิกาโมเลกุลที่ถูกออกแบบทางวิศวกรรม" กับโมเลกุลอิตเทอร์เบียมหนัก มีเป้าหมายเพื่อลดการสูญเสียความสอดคล้องและสัญญาณรบกวน เพื่อเพิ่มความไวในการตรวจวัดให้มากขึ้น
• การขยายไปสู่นิวเคลียสแปลกใหม่อื่นๆ: วิธีการนี้ถูกออกแบบมาให้สามารถนำไปใช้กับนิวเคลียสที่หายากและมีรูปทรง octupole-deformed อื่นๆ ได้ (เช่น เรดอน, โปรแทกทิเนียม) ซึ่งเป็นการเปิดโปรแกรมการตรวจจับควอนตัมระดับโมเลกุลในวงกว้างยิ่งขึ้น