物理学家第一次测量寿命短的放射性分子
2020-06-01
2868
含有重且变形的放射性核的分子可以帮助科学家测量违反对称性的现象并识别暗物质的迹象。麻省理工学院和其他地方的研究人员首次将超级对撞机的功能与激光光谱技术相结合，以首次精确测量短寿命的放射性分子一氟化镭。
放射性分子的精确研究为科学家提供了超越标准模型寻找新物理学的可能性，例如违反自然界中某些基本对称性的现象以及寻找暗物质的迹象。该小组的实验技术还可以用于对天体物理过程中产生的放射性分子进行实验室研究。
该研究的主要作者，该研究的副教授罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯（Ronald Fernando Garcia Ruiz）表示：“我们的研究结果为短寿命放射性分子的高精度研究铺平了道路，这可以为基础物理学和其他领域的研究提供一个新的独特实验室。”麻省理工学院的物理学。
加西亚·鲁伊斯（Garcia Ruiz）的同事包括麻省理工学院的研究生亚历克斯·布林森（Alex Brinson），以及在日内瓦的欧洲核研究组织（CERN）的国际研究人员团队。结果今天发表在《自然》杂志上。
倒车时间
最简单的分子由两个原子组成，每个原子的原子核包含一定数量的质子和中子，使一个原子比另一个原子重。每个原子核都被一团电子包围。在电场的存在下，这些电子可以重新分布，从而在分子内产生极大的电场。
物理学家已经使用分子及其电场作为微型实验室来研究电子和其他亚原子粒子的基本特性。例如，当束缚的电子与分子的电场相互作用时，其能量会发生变化，科学家可以进行测量以推断出电子的性质，例如其静电偶极矩，从而可以测量其与球形的偏差。
根据粒子物理学的标准模型，基本粒子应大致为球形，或具有可忽略的静电偶极矩。但是，如果存在一个粒子或系统的永久电偶极矩，则这意味着自然界中的某些过程并不像物理学家所假设的那样对称。
例如，物理学家认为，物理学的大多数基本定律应沿时间方向保持不变-这是一个称为时间反转对称性的原理。就是说，无论时间是向前还是向后，重力都会使球从悬崖上掉下来，或者沿着速度和空间的相同路径向后滚动。但是，如果电子不是完美的球形，则表明违反了时间反转对称性。这种违反将为解释为什么我们宇宙中的物质多于反物质提供了非常必要的条件。
通过研究电子与非常强的电场的相互作用，科学家可能有机会精确测量其电偶极矩。在某些分子中，原子越重，其内部电场越强。可以对放射性分子（包含至少一个不稳定核的分子）进行定制，以最大化其内部电场。而且，重放射性核可以具有梨状的形状，这可以放大其对称性。
由于它们的高电场和独特的核形状，放射性分子将成为天然实验室，不仅可以探测电子结构，而且可以探测违反对称性的核特性。但是这些分子是短命的，科学家们无法将它们固定下来。
加西亚·鲁伊斯说：“这些放射性分子在自然界中非常稀有，其中一些在我们的星球上找不到，但是在诸如天体爆炸或中子星合并之类的天体物理过程中可能很丰富。” “因此，我们必须人为地制造它们，主要挑战是它们只能在高温下少量生产，并且使用寿命很短。”
黑暗中的针
研究小组正在寻找一种方法来制造一氟化镭（RaF）-一种含有非常重的，不稳定的镭原子和氟化物原子的放射性分子。该分子特别受关注，因为镭核的某些同位素本身是不对称的，类似于梨，在核的一端比另一端具有更大的质量。
而且，理论家还预测，一氟化镭的能量结构将使该分子适合激光冷却，该技术使用激光来降低分子的温度，并使它们的速度降低到足以进行精确度研究的水平。尽管大多数分子具有许多能占据的能量状态，并且具有大量的振动和旋转状态，但事实证明，一氟化镭有利于在几个主要能级之间进行电子跃迁，这是一种使用激光冷却控制的异常简单的分子。
该团队能够通过使用CERN的同位素质量分离器在线或CERN的ISOLDE设施首先制造少量分子，从而测量RaF分子，然后他们使用共线性共振电离光谱（CRIS）实验对它们进行了操纵和研究。 。
在他们的实验中，研究人员使用了CERN的质子同步加速器助推器，该环是一系列从粒子加速器接收质子并加速质子的环。研究小组将这些质子发射到由碳化铀制成的靶材上，发射的能量如此之高，以至于猛击摧毁了铀，产生了质子和中子簇射，混合形成包括放射性在内的放射性核。
然后，研究人员注入了一种四氟化碳气体，该气体与镭反应生成带电荷的单氟化镭分子或离子分子，它们通过质量分离磁体系统与其余的铀副产物分离。然后，他们将分子固定在离子阱中，并用氦气将其包围，从而将分子冷却到足以使研究人员进行测量的程度。
接下来，研究小组通过使分子加速并通过CRIS装置来测量分子，其中离子分子与钠原子相互作用，使钠原子相互作用，从而给每个分子提供电子，以中和飞行中的分子束。然后，中性分子继续穿过一个相互作用区域，研究人员在该区域还发出了两束激光束，一个是红色，另一个是蓝色。
研究小组上下调整了红色激光的频率，发现在某些波长下，激光会与分子发生共振，将分子中的电子激发到另一个能级，这样蓝色激光就具有足够的能量，可以从电子中去除电子。分子。再次被离子化的共振激发分子被偏转并收集到粒子检测器上，使研究人员能够首次测量其能级以及相关的分子特性，从而证明这些分子的结构确实有利于激光冷却。
“在我们进行测量之前，这些分子的所有能级都是未知的，”加西亚·鲁伊斯说。“这就像试图在几百米宽的黑暗房间里找到一根针头一样。现在我们已经找到了针，我们可以测量该针的属性并开始使用它。”
这项工作得到了欧洲研究委员会，DFG德国研究基金会，STFC和Ernest Rutherford，FWO-Vlaanderen，Brix IAP研究计划ENSAR2，俄罗斯科学基金会和BMBF的支持。A.布林森得到了亨利·肯德尔（Henry W. Kendall）（1955年）奖学金的支持。
