Lần đầu tiên các nhà khoa học tạo ra phân tử radium lạnh: Chìa khóa giải mã bí ẩn vật chất và phản vật chất

Điều gì khiến radium có giá trị cho câu hỏi vật chất-phản vật chất

Hạt nhân của radium có hình dạng giống quả lê (biến dạng bát cực) . Hầu hết các hạt nhân nguyên tử đều có hình cầu hoặc hơi dài ra (giống như quả cam hoặc quả dưa hấu), nhưng hạt nhân hình quả lê là bất đối xứng. Sự biến dạng này khuếch đại đáng kể độ nhạy đối với các hiệu ứng vi phạm tính đối xứng — lớn hơn khoảng 1.000 lần so với hạt nhân hình cầu — những hiệu ứng có thể giải thích tại sao vật chất lại chiếm ưu thế so với phản vật chất trong vũ trụ sơ khai . Kết hợp với độ nhạy tăng cường của phân tử so với nguyên tử (thêm khoảng 1.000 lần), các phân tử radium trở thành công cụ thăm dò cực kỳ mạnh mẽ đối với vật lý vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn .

Các nhà nghiên cứu đã vượt qua thách thức xử lý radium như thế nào

Radium có tính phóng xạ cao, dễ phản ứng và chỉ có sẵn với số lượng cực nhỏ (bắt đầu với khoảng 1 mg muối nitrat ²²⁶Ra, tương đương hoạt độ khoảng 1 mCi) . Nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình nhiều bước:

• Tạo bia mục tiêu mới: Họ hòa tan muối radium, nhỏ từng lượng nhỏ microgam lên lá vàng, và ghép chúng với các bia mục tiêu thuốc thử rắn (ví dụ: canxi hydroxit cho RaOH) bên trong một buồng đồng .
• Bay hơi bằng laser trong khí đệm lạnh: Một xung laser làm bay hơi các thuốc thử, và các gốc tự do tạo thành sẽ phản ứng trong pha khí bên trong buồng được giữ ở ~4 K nhờ khí đệm heli . Khí đệm lạnh ngay lập tức làm các phân tử ổn định nhiệt.
• Hóa học điều khiển bằng quang học: Đối với RaOH, phản ứng Ra + H₂O → RaOH + H được thúc đẩy bởi quá trình bay hơi laser; các phân tử sau đó được phát hiện thông qua huỳnh quang cảm ứng laser với nền nhiễu cực thấp .
• An toàn và ngăn chặn: Toàn bộ thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ gọn (cao dưới 1 m) và được bịt kín, giữ cho chất phóng xạ được chứa an toàn trong khi vẫn cho phép tia laser chiếu vào để thực hiện phép đo quang phổ .

Quy trình này được ví như làm kẹo: tấm bia hoạt động như que kẹo mút, muối radium như đường, và khí đệm lạnh giống như bước làm lạnh để đông đặc sản phẩm cuối cùng .

Các bước thí nghiệm tiếp theo

• Làm lạnh bằng laser và bẫy quang học: Các phổ phân tử đo được cho thấy RaOH và RaF có cấu trúc điện tử tương thích với quá trình làm lạnh bằng laser, cho phép bước tiếp theo là tạo ra các mẫu siêu lạnh, bị bẫy .
• Các phép đo chính xác lượng tử: Với các phân tử radium lạnh, bị bẫy, các nhà nghiên cứu sẽ thực hiện các cuộc tìm kiếm độ chính xác cao đối với mômen lưỡng cực điện (EDM) và mômen Schiff hạt nhân — tín hiệu của các hạt và lực mới có thể giải thích sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất .
• Giao thức đồng hồ phân tử: Một cách tiếp cận bổ sung sử dụng "đồng hồ phân tử được thiết kế" với các phân tử ytterbium nặng nhằm mục đích triệt tiêu hiện tượng mất kết hợp và nhiễu, qua đó mở rộng thêm độ nhạy .
• Mở rộng sang các hạt nhân ngoại lai khác: Phương pháp này được thiết kế để có thể tổng quát hóa cho các hạt nhân biến dạng bát cực hiếm khác (ví dụ: radon, protactini), mở ra một chương trình cảm biến lượng tử phân tử rộng lớn hơn .