物理学家首次测量了一个寿命较短的放射性分子

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威力与激光光谱学技术结合起来，精确测量了一种寿命较短的放射性分子——一氟化镭。

对放射性分子的精确研究为科学家探索标准模型之外的新物理现象(如违背自然界某些基本对称性的现象)以及寻找暗物质的迹象开辟了可能性。该团队的实验技术也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。

“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，这可能为基础物理和其他领域的研究提供一个新的、独特的实验室，”该研究的第一作者、麻省理工学院物理学助理教授罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯(Ronald Fernando Garcia Ruiz)说。

加西亚·鲁伊兹的同事包括麻省理工学院研究生亚历克斯·布林森(Alex Brinson)，以及一个在欧洲核子研究中心(CERN)工作的国际研究团队。CERN是位于日内瓦的欧洲核研究组织(European Organization for Nuclear Research)。研究结果发表在今天的《自然》杂志上。

换向时间

最简单的分子是由两个原子组成的，每个原子的原子核由一定数量的质子和中子组成，使一个原子比另一个原子重。每个原子核周围都有一团电子。在电场存在的情况下，这些电子可以重新分布，从而在分子内部形成一个非常大的电场。

物理学家利用分子和它们的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，当一个束缚电子与分子的电场相互作用时，它的能量会发生变化，科学家可以通过测量来推断电子的属性，比如它的静电偶极矩，它提供了一个测量其偏离球形形状的方法。

根据粒子物理学的标准模型，基本粒子应该大致是球形的，或者具有可忽略的静电偶极矩。然而，如果粒子或系统存在永久的电偶极矩，这就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，物理学家们认为，物理学的大多数基本定律应该随着时间的方向保持不变——这一原理被称为时间逆转对称性。也就是说，不管时间是向前还是向后，重力，例如，应该导致一个球从悬崖上掉下来，或者沿着速度和空间上相同的路径滚回去。然而，如果一个电子不是完美的球形，这将表明时间反转对称性是违反的。这一违背将为解释为什么宇宙中物质多于反物质提供一个急需的条件。

通过研究电子与强电场的相互作用，科学家们可能有机会精确测量它们的电偶极矩。在某些分子中，原子越重，其内部电场就越强。放射性分子——那些含有至少一个不稳定原子核的分子——可以被调整以使其内部电场最大化。此外，重放射性原子核可以有梨状的形状，这可以放大它们违反对称性的特性。

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的实验室，在那里不仅可以探测电子的结构，还可以探测违反对称性的核特性。但是这些分子是短命的，科学家们一直无法确定它们的存在。

“这些放射性分子在自然界中非常罕见，其中一些在我们的星球上是找不到的，但在天体物理过程中，如恒星爆炸，或中子星合并中，这些放射性分子可能大量存在，”加西亚·鲁伊斯说。“所以我们必须人工制造它们，主要的挑战是它们只能在高温下少量生产，而且寿命很短。”

黑暗中的一根针

研究小组寻找了一种制造单氟化镭(或称RaF)的方法，这种放射性分子含有一个非常重的、不稳定的镭原子和一个氟原子。这种分子特别有趣，因为镭原子核的某些同位素本身是不对称的，类似于梨，原子核的一端比另一端有更多的质量。

更重要的是，理论家们曾预测，单氟化镭的能量结构将使分子能够经受激光冷却，这种技术利用激光降低分子的温度，并使其足够慢下来，以进行精确的研究。虽然大多数分子都有很多能态，有大量的振动和旋转态，但事实证明，一氟化镭更倾向于几个主要能级之间的电子跃迁——这是一种用激光冷却来控制的异常简单的分子。

该团队首先利用CERN的同位素质量分离器(CERN的ISOLDE设备)在线制造少量的RaF分子，然后利用共线共振电离光谱(CRIS)实验用激光操纵和研究该设备，从而能够测量RaF分子。

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，这是一系列的环，从粒子加速器接收质子并加速质子。研究小组将这些质子射向一个由碳化铀构成的目标，这个目标的能量如此之高，以至于铀遭到了猛烈的撞击，产生了大量的质子和中子，这些质子和中子混合在一起，形成了包括镭在内的放射性原子核的混合物。

然后，研究人员注入一种四氟化碳气体，这种气体与镭反应生成带电的，或者是一氟化镭的离子分子，他们通过一个质量分离磁铁系统从铀的副产品中分离出来。然后他们把这些分子固定在一个离子阱里，并用氦气包围它们，使分子冷却到足以让研究人员测量它们。

接下来，研究小组通过重新加速并通过CRIS装置来测量这些分子，在CRIS装置中，离子分子与钠原子相互作用，钠原子给每个分子一个电子，以中和飞行中的分子束。然后，中性分子继续通过一个相互作用区域，研究人员也在这个区域发出两束激光——一束红色，另一束蓝色。

研究小组将红色激光的频率上下调整，发现在特定波长的激光与分子共振，激发分子中的一个电子到另一个能级，这样蓝色激光就有足够的能量将电子从分子中移除。共振激发的分子，再次成为离子，被偏转并收集到粒子探测器上，让研究人员第一次测量它们的能级和相关的分子特性，这些特性表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。这就像在几百米宽的暗室里找一根针一样困难。现在我们已经找到了这根针，我们可以测量这根针的属性，然后开始研究它。”

这项工作得到了欧洲研究理事会、德国研究基金会、STFC和Ernest Rutherford、fvo – vlaanderen、BriX IAP研究项目ENSAR2、俄罗斯科学基金会和BMBF的支持。a . Brinson获得了Henry W. Kendall(1955)奖学金的支持。