För första gången har kärnfysiker gjort precisionsmätningar av en kortlivad radioaktiv molekyl, radiummonofluorid (RaF). I deras studie publicerad i tidskriften Nature Physics , kombinerade forskarna jonfångningstekniker med specialiserade lasersystem för att mäta de fina detaljerna i kvantstrukturen hos RaF.
Detta tillvägagångssätt möjliggjorde karakteriseringen av rotationsenerginivåerna för denna molekyl samt bestämning av dess laserkylningsschema. Laserkylning är en metod som använder laserljus för att bromsa och fånga atomer och molekyler. Dessa resultat representerar ett avgörande steg för framtida experiment som syftar till att laserkyla och fånga RaF-molekyler.
Forskare har förutspått att molekyler som innehåller tunga, päronformade kärnor, såsom radium, är mycket känsliga för nukleära elektrosvaga egenskaper och fysik bortom standardmodellen. Detta inkluderar fenomen som bryter mot paritet och tidsreverserande symmetri. Tidsomkastande kränkning, bortom de nuvarande begränsningarna, är ett väsentligt villkor för att förklara universums materia-antimateriaasymmetri. De nya resultaten ger forskarna en detaljerad karaktärisering av kvantstrukturen hos RaF, vilket öppnar för användningen av denna molekyl i framtida experiment som syftar till att söka efter sådana effekter.
Radioaktiva molekyler som innehåller oktupoldeformerade kärnor, såsom radium (Ra), lovar att bli exceptionella kvantsystem för användning i studier av de fundamentala partiklarna och naturens krafter. Den unika päronliknande formen på radiumkärnan, i kombination med energinivåstrukturen hos en polär molekyl, kan leda till en ökad känslighet för symmetriöverträdande kärnegenskaper av mer än fem storleksordningar jämfört med stabila atomer.
Forskarna – kärnfysiker vid Massachusetts Institute of Technology och medarbetare – undersökte spektroskopiskt den detaljerade strukturen av RaF och utförde arbetet vid experimentet Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS) vid Isotope Separator On Line Device Radioactive Ion Beam Facility vid den europeiska organisationen för Kärnforskning (ISOLDE—CERN).
Forskarnas metod möjliggjorde kartläggningen, med hög känslighet, av energinivåerna för RaF, vilket bestämde ett laserkylningsschema för att bromsa och fånga denna molekyl. Forskare utvecklar snabbt metoder för att kontrollera och förhöra ultrakalla molekyler. Dessa metoder, i kombination med radioaktiva strålanläggningars nya möjligheter att producera stora mängder radioaktiva molekyler, såsom CERN (Schweiz) och FRIB (USA), öppnar en ny gräns för utforskningen av atomkärnor och kränkningen av de grundläggande symmetrierna av naturen.
