För första gången har kärnfysiker gjort precisionsmätningar av en kortlivad radioaktiv molekyl, radiummonofluorid (RaF). I sin studie, som publiceras i tidskriften Nature Physics, kombinerade forskarna tekniker för jonfångst med specialiserade lasersystem för att mäta de fina detaljerna i kvantstrukturen hos RaF.
Detta tillvägagångssätt möjliggjorde karakterisering av molekylens rotationsenerginivåer samt bestämning av dess laserkylningssystem. Laserkylning är en metod som använder laserljus för att sakta ner och fånga atomer och molekyler. Dessa resultat utgör ett viktigt steg för framtida experiment som syftar till att laserkyla och fånga RaF-molekyler.
Forskare har förutspått att molekyler som innehåller tunga, päronformade atomkärnor, t.ex. radium, är mycket känsliga för elektrosvaga egenskaper hos kärnan och fysik som ligger utanför standardmodellen. Detta inkluderar fenomen som bryter mot paritets- och tidsomvändningssymmetri. Brott mot tidsomvändningssymmetrin, utöver de nuvarande begränsningarna, är ett viktigt villkor för att förklara universums materia-antimateria-asymmetri. De nya resultaten ger forskarna en detaljerad karaktärisering av kvantstrukturen hos RaF, vilket öppnar för användning av denna molekyl i framtida experiment som syftar till att söka efter sådana effekter.
Radioaktiva molekyler som innehåller oktupoldeformerade kärnor, som radium (Ra), lovar att vara exceptionella kvantsystem för användning i studier av de grundläggande partiklarna och krafterna i naturen. Radiumkärnans unika päronliknande form, i kombination med energinivåstrukturen hos en polär molekyl, kan leda till en ökad känslighet för symmetribrytande nukleära egenskaper med mer än fem storleksordningar jämfört med stabila atomer.
Forskarna – kärnfysiker vid Massachusetts Institute of Technology och medarbetare – undersökte spektroskopiskt den detaljerade strukturen hos RaF och utförde arbetet vid CRIS-experimentet (Collinear Resonance Ionization Spectroscopy) vid Isotope Separator On Line Device Radioactive Ion Beam Facility vid Europeiska organisationen för kärnforskning (ISOLDE-CERN).
Forskarnas metod gjorde det möjligt att med hög känslighet kartlägga energinivåerna hos RaF och fastställa ett laserkylningssystem för att bromsa och fånga denna molekyl. Forskarna utvecklar snabbt metoder för att kontrollera och undersöka ultrakalla molekyler. Dessa metoder, i kombination med den nya kapaciteten hos anläggningar för radioaktiva strålar för att producera stora mängder radioaktiva molekyler, t.ex. CERN (Schweiz) och FRIB (USA), öppnar nya möjligheter att utforska atomkärnor och bryta mot naturens grundläggande symmetrier.
Ytterligare information: S. M. Udrescu et al, Precision spectroscopy and laser-cooling scheme of a radium-containing molecule, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02296-w
