科學家首次成功製備冷放射性鐳分子：為解開宇宙反物質之謎鋪路

以下是根據2026年7月發表於《科學》（Science）期刊的加州理工學院Hutzler實驗室論文及相關資料，對這項突破性研究的重點整理。

首次達成的科學成就

研究人員首次在桌型實驗裝置中，成功創造出含有放射性元素鐳（²²⁶Ra）的冷氣態分子，並對其進行了高解析度雷射光譜分析 。具體來說，他們從毫克級的鐳樣本出發，成功合成、低溫冷卻（約4開爾文，即-269°C）並進行光譜鑑定了三種分子——氫氧化鐳（RaOH）、氘氧化鐳（RaOD）和氟化鐳（RaF）。這是人類首次將鐳分子製備成適合進行量子精確測量的冷、低速度狀態 。

鐳對研究物質與反物質之謎的獨特價值

鐳的原子核具有獨特的**「梨形」結構（八極變形）** 。大多數原子核是球狀或略帶橢圓（如橘子或西瓜），但梨形原子核是不對稱的。這種變形結構能將破壞對稱性的物理效應戲劇性地放大——約為球形原子核的1000倍，這些效應可能解釋為何在早期宇宙中，物質最終勝過反物質而成為主導 。再結合分子層面相較於原子的靈敏度增幅（約1000倍），鐳分子成為了探索超越粒子物理標準模型新物理的極其強大的探針 。

研究人員如何克服操作上的挑戰

鐳具有高放射性、高反應性，且僅能以極微量取得（起始樣本約為1毫克的²²⁶Ra硝酸鹽，放射性活度約1毫居里）。研究團隊開發了一套多步驟解決方案：

• 新型靶材製備：將鐳鹽溶解，將微克級等分液滴鑄在金箔上，並在銅製反應室內與固體試劑靶材（例如氫氧化鈣，用於製備RaOH）配對 。
• 低溫緩衝氣體中的雷射剝蝕：利用脈衝雷射將試劑氣化，產生的自由基在充滿氦緩衝氣體的低溫（約4開爾文）反應室中於氣相反應 。低溫緩衝氣體能立即將分子熱平衡化。
• 光驅動化學反應：對於RaOH，其反應路徑（Ra + H₂O → RaOH + H）由雷射剝蝕驅動；隨後透過具有極低背景雜訊的雷射誘導螢光技術檢測分子 。
• 安全與封裝：整個桌型裝置設計緊湊（高度不到1公尺）且完全密封，既能確保放射性物質被安全封閉，又能允許雷射進出進行光譜分析 。

整個過程被比喻為製作糖果：靶材板就像是棒棒糖的棍子，鐳鹽則是糖，而低溫緩衝氣體的作用類似於冷卻固化最終產品的步驟 。

下一步實驗規劃

• 雷射冷卻與光學捕獲：測量到的分子光譜顯示，RaOH和RaF具有適合雷射冷卻的電子結構，這使得下一步生產超冷、捕獲的分子樣本成為可能 。
• 量子精確測量：有了冷卻並捕獲的鐳分子，研究人員將進行高精度的電偶極矩（EDM） 及原子核Schiff矩搜尋——這些都是新粒子和新力的信號，可以解釋物質與反物質的不對稱性 。
• 分子鐘協議：一種利用含重元素鐿分子的「工程化分子鐘」的互補方法，旨在抑制退相干和雜訊，進一步提高測量靈敏度 。
• 拓展至其他奇異原子核：此方法設計為可一般化應用於其他稀有、具八極變形的原子核（例如氡、鏷），為更廣泛的分子量子感測計畫開闢了道路 。