Физики впервые получили холодные молекулы радиоактивного радия для поиска новой физики
AI Изображение создано с помощью ИИ и носит иллюстративный характер
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) впервые создали охлаждённые молекулы, содержащие радиоактивный элемент радий. Методика, отчасти напоминающая приготовление конфет, позволила получить молекулы, готовые для квантовых измерений. Учёные надеются, что эти эксперименты помогут разгадать одну из главных загадок Вселенной: почему материя доминирует над антиматерией. Об этом пишет издание Phys.org.
В ранней Вселенной материя и антиматерия были созданы в равных пропорциях. Например, у отрицательного электрона есть античастица — позитрон с положительным зарядом. Электрон и позитрон могут рождаться парами из энергии, но при встрече аннигилируют, превращаясь обратно в чистую энергию. Куда исчезла вся антиматерия — остаётся загадкой. Должна существовать некая асимметрия между материей и антиматерией, объясняющая, почему материя преобладает.
Несколько лет назад группа под руководством профессора физики Caltech Ника Хатцлера начала изучать молекулы радия как зонд для этой тайны. Цель — с помощью лазеров искать тонкие изменения в молекулах радия, которые укажут на новые частицы и силы, стоящие за асимметрией. Радий идеален благодаря своей грушевидной форме ядра. «Грушевидные ядра асимметричны и значительно усиливают потенциальные сигналы, которые мы ищем», — объясняет Хатцлер. Большинство ядер имеют форму апельсина или арбуза, а радий — редкую грушевидную.
Проблема в том, что радий, открытый Марией Кюри в 1898 году, радиоактивен, химически активен и доступен лишь в микроскопических количествах. Новое исследование, опубликованное в Science, впервые демонстрирует успешное получение и изучение молекул радия с помощью лазеров в настольных экспериментах. Молекулы были охлаждены до криогенных температур — около -268°C. Метод можно применить и к другим атомам.
Как «сварить» молекулу радия
Радий настолько активен, что его необходимо стабилизировать. Исследователи нашли способ: они добавляли радий в воду с сахаром, выпаривали воду и получали густую вязкую массу. Процесс напоминал варку карамели — с пузырением, подгоранием и карамелизацией. В итоге сахар заменили на ксилит (подсластитель без сахара), что дало воспроизводимый результат.
Полученную массу наносили на золотую фольгу и помещали в аппарат размером с мини-холодильник. Камеру охлаждали гелием до -268°C. Затем радий облучали лазером, возбуждая его атомы до химически активного состояния, чтобы они вступили в реакцию с молекулами-мишенями. После этого с помощью другого набора лазеров анализировали образовавшиеся молекулы. «Важно, что молекулы теперь готовы для квантовых прецизионных измерений», — отмечает Хатцлер.
От молекул к новой физике
В другой работе, которая вскоре появится в Physical Review X, группа Хатцлера разработала протокол для работы с тяжёлыми молекулами, содержащими иттербий. Этот подход, названный «инженерные молекулярные часы», снижает чувствительность к внешнему шуму и декогеренции, которые разрушают квантовую волновую функцию молекул. Сейчас эксперимент с часами используется для поиска новых частиц и сил в ядре иттербия, а в будущем будет применён и к радию. «Наша цель — создать лучшие квантовые инструменты из этих сложных молекул», — резюмирует Хатцлер.
