Революція у фізиці: холодні молекули радію вперше отримано в лабораторії

Чому радій важливий для питання матерії та антиматерії

Ядро радію має грушоподібну форму (октупольна деформація) . Більшість атомних ядер є сферичними або злегка витягнутими (як апельсини чи дині), але грушоподібні ядра є асиметричними. Ця деформація надзвичайно підвищує чутливість до ефектів порушення симетрії — приблизно в 1000 разів більше, ніж сферичні ядра, — що могло б пояснити, чому матерія переважала над антиматерією в ранньому Всесвіті . У поєднанні з підвищенням чутливості молекул порівняно з атомами (ще приблизно в 1000 разів), молекули радію стають надзвичайно потужними інструментами для вивчення фізики за межами Стандартної моделі .

Як дослідники подолали труднощі роботи з радієм

Радій є високорадіоактивним, хімічно активним і доступний лише в надзвичайно малих кількостях (починаючи з приблизно 1 мг нітрату ²²⁶Ra, що становить близько 1 мКі активності) . Команда розробила багатоетапний підхід:

• Новий метод виготовлення мішеней: Розчинили сіль радію, нанесли мікрограмові аліквоти на золоту фольгу та з'єднали їх з твердими реагентами (наприклад, гідроксидом кальцію для RaOH) всередині мідної комірки .
• Лазерна абляція в кріогенному буферному газі: Імпульсний лазер випаровував реагенти, а отримані радикали реагували в газовій фазі всередині комірки, яка підтримувалась при ~4 К за допомогою гелію . Холодний буферний газ негайно термалізував молекули.
• Оптично керована хімія: Для RaOH реакція Ra + H₂O → RaOH + H запускалася лазерною абляцією; молекули потім детектувалися за допомогою лазерно-індукованої флуоресценції з надзвичайно низьким фоном .
• Безпека та ізоляція: Вся настільна установка є компактною (менше 1 м у висоту) та герметичною, що утримує радіоактивність всередині, дозволяючи при цьому проводити лазерний доступ для спектроскопії .

Процес порівнювали з виготовленням цукерок: мішень діє як паличка для льодяника, сіль радію — як цукор, а холодний буферний газ — як етап охолодження, що затверджує кінцевий продукт .

Наступні експериментальні кроки

• Лазерне охолодження та оптичне утримання: Виміряні молекулярні спектри показують, що RaOH та RaF мають електронні структури, сумісні з лазерним охолодженням, що дозволяє перейти до отримання надхолодних утримуваних зразків .
• Квантові прецизійні вимірювання: З холодними, утримуваними молекулами радію дослідники проводитимуть надточні пошуки електричних дипольних моментів (ЕДМ) та ядерних моментів Шиффа — сигналів нових частинок та сил, які б пояснили асиметрію матерії та антиматерії .
• Молекулярні годинники: Додатковий підхід з використанням "інженерних молекулярних годинників" з важкими молекулами ітербію має на меті придушити декогеренцію та шум, ще більше підвищуючи чутливість .
• Розширення на інші екзотичні ядра: Метод призначений для узагальнення на інші рідкісні ядра з октупольною деформацією (наприклад, радон, протактиній), що відкриває ширшу програму молекулярного квантового зондування .