梨形原子核，能为寻找新物理提供线索吗？

从理论上看，含有重放射性原子核的分子，有望为探索粒子物理标准模型之外的新物理学打开一扇大门。然而，由于放射性核素极其稀少，而且这类不稳定分子难以制备，相关实验研究一直受到限制。

在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个研究团队首次在桌面实验装置中，发展出了一种制备含放射性元素镭的低温分子的方法，并对其进行了高分辨率激光光谱测量。

物质主导的宇宙

根据标准模型，在宇宙诞生之初，应当产生了相同数量的物质和反物质。而当物质粒子（比如电子）和反物质粒子（比如电子的反物质粒子——正电子）相遇时，会彼此湮灭，转化为能量。如果是这样，那么宇宙中应当只剩下能量。

但今天我们观测到的宇宙却充满了物质。为什么？这至今仍是物理学中最大的谜题之一。要解释为什么宇宙形成过程中物质最终占据了优势，物质与反物质之间必然存在不对称性。

2010年，理论物理学家预测，一氟化镭（RaF）分子可以用于探索这一谜题。镭之所以特别适合这类实验，是因为它的原子核呈梨形。与球形原子核相比，梨形原子核本身具有不对称性，能够显著放大那些有助于解释物质与反物质之间的不对称性的潜在信号——比如可能存在新的粒子和基本力。

镭具有梨形原子核，这使它对新粒子和新基本力更加敏感。（图/Ella Maru Studio）

但问题在于，镭是一种具有放射性且化学性质高度活泼的元素，而且可获得的数量极少。迄今为止，科学家通常需要借助专门的加速器设施，才能制得非常少量的含镭分子。因此，在实验操作方面，是极其困难的。

像制作糖果一样处理镭

在这项新研究，研究人员首次做到了不依赖高能加速器，直接在实验室中制备含镭分子，并利用激光对其进行了精密研究。

一间配有光学设备和小型低温装置的物理实验室。用于合成、冷却、操控和探测含镭分子的装置。（图/Hutzler Lab）

镭通常从含铀矿石中提取，并以氯化镭或硝酸镭等化合物的形式存在。镭的化学性质非常活泼，因此，要开展实验，第一步就是找到一种能够使其保持稳定并便于转移的方法。

研究人员认为，可以把较为常见的含镭化合物嵌入在一种便于操作的、浓稠黏性的材料中。他们发现，制备这种黏稠物质的最佳方法，与制作糖果的过程颇为相似：他们将含镭化合物加入水和糖的混合物中，再加热蒸发掉水分，形成黏稠材料。

但在实验过程中，研究人员发现，当使用真正的糖时，整个过程会出现大量冒泡、焦煳和焦糖化现象，操作条件十分苛刻，也很难稳定复现。最终，团队发现——无糖甜味剂木糖醇的效果最好。

在制备好这种黏稠放射性凝胶材料后，研究人员将一小团这种放射性凝胶，与由分子反应物制成的颗粒一同放入充满氦气的低温腔体中。激光脉冲轰击这些靶材后，会将原子和分子前体释放到腔体内；它们通过与氦原子碰撞，迅速冷却至约4开尔文。随后，激光驱动化学反应，选择性地生成一氟化镭（RaF）、一氢氧化镭（RaOH）和一氘氧化镭（RaOD）。

逐步锁定分子的能级

在如此低的温度下，分子只会占据相对较少的量子态，因此研究人员更容易利用激光诱导荧光测量特定的能级跃迁。即便如此，对于这些重分子的能级，理论预测仍存在较大不确定性。

桌面实验装置的艺术构想图。它可以将温度极高的原子和分子冷却下来，使研究人员能够利用激光探测它们各自的量子态。（图/AI-generated art by Nick Hutzler）

为了确定这些能级的精确位置，研究人员首先使用宽带激光，在理论预测的范围内扫描并寻找激光诱导荧光信号。随后，他们逐步缩小扫描的光谱范围，最终得以对单个能级跃迁进行高分辨率测量。测得的分子性质总体上与理论预测相符，而其中一处差异表明，现有计算尚不能完全描述这些分子处于激发态时的行为。

把复杂分子变成量子工具

这是研究人员首次成功制备出低温状态的含镭分子，而且这些分子现在已经可以用于量子精密测量。研究人员认为，这种新方法还可以扩展至其他放射性分子，从而为研究这些尚未得到充分探索的分子开辟新的实验路径。

在另一篇即将发表于《物理评论X》的论文中，研究团队建立了一套研究含重元素镱分子的实验方案。这套方案被称为“工程化分子钟”。目前，研究人员正在利用这种工程化分子钟实验，寻找镱原子核中新粒子和新基本力可能留下的特征信号。

研究人员表示，他们的目标，是把这些极其复杂的分子打造为性能最出色的量子工具。

#参考来源：

https://www.caltech.edu/about/news/cold-radioactive-molecules-prepped-and-readied-for-physics-discoveries

https://physics.aps.org/articles/v19/110

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea9413

#图片来源：

封面图&首图：Ella Maru Studio