Fysikere måler et kortvarigt radioaktivt molekyle for første gang

Forskere ved MIT og andre steder har kombineret kraften fra en superkollider med teknikker til laserspektroskopi for præcist at måle et kortlivet radioaktivt molekyle, radium monofluorid, for første gang.

Præcisionsstudier af radioaktive molekyler åbner muligheder for, at forskere kan søge efter ny fysik ud over Standardmodellen, såsom fænomener, der krænker visse grundlæggende symmetrier i naturen, og at lede efter tegn på mørkt stof. Holdets eksperimentelle teknik kunne også bruges til at udføre laboratorieundersøgelser af radioaktive molekyler produceret i astrofysiske processer.

"Vores resultater baner vejen for højpræcisionsundersøgelser af kortlivede radioaktive molekyler, som kunne tilbyde et nyt og unikt laboratorium for forskning i fundamental fysik og andre områder, " siger undersøgelsens hovedforfatter, Ronald Fernando Garcia Ruiz, assisterende professor i fysik ved MIT.

Garcia Ruiz' kolleger inkluderer Alex Brinson, en MIT kandidatstuderende, sammen med et internationalt team af forskere, der arbejder på CERN, Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning, i Genève. Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet Natur .

Vendetid

Det enkleste molekyle er lavet af to atomer, hver med en kerne bestående af et vist antal protoner og neutroner, der gør det ene atom tungere end det andet. Hver kerne er omgivet af en sky af elektroner. I nærvær af et elektrisk felt, disse elektroner kan omfordeles for at skabe et ekstremt stort elektrisk felt i molekylet.

Fysikere har brugt molekyler og deres elektriske felter som miniaturelaboratorier til at studere de grundlæggende egenskaber af elektroner og andre subatomære partikler. For eksempel, når en bundet elektron interagerer med molekylets elektriske felt, dets energi kan ændre sig som et resultat, som videnskabsmænd kan måle for at udlede elektronens egenskaber, såsom dets elektrostatiske dipolmoment, som giver en måling af dens afvigelse fra en sfærisk form.

Ifølge standardmodellen for partikelfysik, elementarpartikler skal være nogenlunde sfæriske, eller har et ubetydeligt elektrostatisk dipolmoment. Hvis, imidlertid, der eksisterer et permanent elektrisk dipolmoment for en partikel eller et system, dette ville betyde, at visse processer i naturen ikke er så symmetriske, som fysikere havde antaget.

For eksempel, fysikere mener, at de fleste grundlæggende love i fysikken bør forblive uændrede med tidens retning - et princip kendt som tidsvendingssymmetri. Det er, uanset om tiden løber frem eller tilbage, tyngdekraft, for eksempel, skulle få en bold til at falde ned fra en klippe, eller rulle op igen, ad samme vej i hastighed og rum. Hvis, imidlertid, en elektron er ikke perfekt sfærisk, dette ville indikere, at tidsvendingssymmetrien er i strid. Denne krænkelse ville give en tiltrængt betingelse for at forklare, hvorfor der er mere stof end antistof i vores univers.

Ved at studere en elektrons interaktioner med meget stærke elektriske felter, videnskabsmænd har måske en chance for præcist at måle deres elektriske dipolmomenter. I visse molekyler, jo tungere deres atomer, jo stærkere deres indre elektriske felt. Radioaktive molekyler - dem, der indeholder mindst en ustabil kerne - kan skræddersyes til at maksimere deres indre elektriske felter. I øvrigt, tunge radioaktive kerner kan have pærelignende former, som kan forstærke deres symmetriskrænkende egenskaber.

På grund af deres høje elektriske felter og unikke nukleare former, radioaktive molekyler ville lave naturlige laboratorier, hvor man kunne sondere ikke kun elektronens struktur, men også symmetriskrænkende nukleare egenskaber. Men disse molekyler er kortlivede, og videnskabsmænd har ikke været i stand til at fastlægge dem.

"Disse radioaktive molekyler er meget sjældne i naturen, og nogle af dem kan ikke findes på vores planet, men kan være rigeligt i astrofysiske processer såsom stjerneeksplosioner, eller neutronstjernefusioner, " siger Garcia Ruiz. "Så vi er nødt til at lave dem kunstigt, og hovedudfordringerne har været, at de kun kan produceres i små mængder ved høje temperaturer, og kan være meget kortvarig."

En nål i mørket

Holdet ledte efter en måde at fremstille radiummonofluorid på, eller RaF - et radioaktivt molekyle, der indeholder en meget tung, ustabilt radium atom, og et fluoridatom. Dette molekyle er af særlig interesse, fordi visse isotoper i radiumkernen i sig selv er asymmetriske, ligner en pære, med mere masse i den ene ende af kernen end i den anden.

Hvad mere er, teoretikere havde forudsagt, at energistrukturen af ​​radiummonofluorid ville gøre molekylet modtageligt for laserkøling, en teknik, der bruger lasere til at sænke temperaturen på molekyler, og bremse dem nok til at udføre præcisionsundersøgelser. Mens de fleste molekyler har mange energitilstande, kan de optage, med et stort antal vibrations- og rotationstilstande, det viser sig, at radiummonofluorid favoriserer elektroniske overgange mellem nogle få hovedenerginiveauer - et usædvanligt simpelt molekyle at kontrollere, ved hjælp af laserkøling.

Holdet var i stand til at måle molekyler af RaF ved først at lave små mængder af molekylet ved hjælp af CERNs Isotope Mass Separator On-Line, eller ISOLDE facilitet på CERN, som de derefter manipulerede og studerede med lasere ved hjælp af Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS) eksperimentet.

I deres eksperiment, forskerne brugte CERNs Proton Synchrotron Booster, en række ringe, der modtager protoner fra en partikelaccelerator og accelererer protonerne. Holdet affyrede disse protoner mod et mål lavet af urancarbid, ved så høje energier, at angrebet ødelagde uran, producerer en byge af protoner og neutroner, der blandede sig for at danne en blanding af radioaktive kerner, inklusive radium.

Forskerne injicerede derefter en gas af kulstoftetrafluorid, som reagerede med radium for at gøre ladede, eller ioniske molekyler af radiummonofluorid, som de adskilte fra resten af ​​urans biprodukter gennem et system af masseadskillende magneter. De fastgjorde derefter molekylerne i en ionfælde og omgav dem med heliumgas, som kølede molekylerne nok ned til, at forskerne kunne måle dem.

Næste, holdet målte molekylerne ved at reaccelerere og føre dem gennem CRIS-opsætningen, hvor de ioniske molekyler interagerede med natriumatomer, der gav en elektron til hvert molekyle for at neutralisere strålen af ​​molekyler under flugten. De neutrale molekyler fortsatte derefter gennem et interaktionsområde, hvor forskerne også lyste to laserstråler - en rød, den anden blå.

Holdet indstillede den røde lasers frekvens op og ned, og fandt ud af, at laseren ved visse bølgelængder resonerede med molekylerne, excitere en elektron i molekylet til et andet energiniveau, sådan at den blå laser så havde nok energi til at fjerne elektronen fra molekylet. De resonant exciterede molekyler, gjort ionisk igen, blev afbøjet og opsamlet på en partikeldetektor, giver forskerne mulighed for at måle, for første gang, deres energiniveau, og de tilhørende molekylære egenskaber, som viser, at strukturen af ​​disse molekyler faktisk er gunstig til laserkøling.

"Før vores målinger, alle energiniveauerne af disse molekyler var ukendte, " siger Garcia Ruiz. "Dette har været som at prøve at finde en nål i et mørkt rum, mange hundrede meter brede. Nu hvor vi har fundet nålen, vi kan måle egenskaberne af den nål og begynde at lege med den."