Используя лазеры с точно настроенной частотой λ, физики контролируют вращательные состояния молекул монофторида радия и возбуждают определенные вращательные уровни, характеризуемые квантовым числом J. Эти возбуждения проявляются в виде острых спектральных пиков.
Фото: Сильвиу-Мариан Удреску.

Впервые физики-ядерщики провели точные измерения короткоживущей радиоактивной молекулы монофторида радия (RaF). В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, учёные объединили методы захвата ионов со специализированными лазерными системами для измерения тонких деталей квантовой структуры RaF.

Такой подход позволил охарактеризовать вращательные уровни энергии этой молекулы, а также определить схему ее лазерного охлаждения. Лазерное охлаждение — это метод, в котором лазерный свет используется для замедления и улавливания атомов и молекул. Эти результаты представляют собой поворотный шаг для будущих экспериментов, направленных на лазерное охлаждение и улавливание молекул RaF.

Ученые предсказали, что молекулы, содержащие тяжелые ядра грушевидной формы, такие как радий, очень чувствительны к ядерным электрослабым свойствам и физике, выходящей за рамки Стандартной модели. Сюда входят явления, нарушающие четность и симметрию обращения времени. Нарушение обращения времени, выходящее за рамки нынешних ограничений, является важным условием для объяснения асимметрии материи-антиматерии во Вселенной. Новые результаты дают исследователям подробную характеристику квантовой структуры RaF, открывая возможность использования этой молекулы в будущих экспериментах, направленных на поиск таких эффектов.

Радиоактивные молекулы, содержащие октупольно-деформированные ядра, такие как радий (Ra), обещают стать исключительными квантовыми системами для использования в исследованиях фундаментальных частиц и сил природы. Уникальная грушевидная форма ядра радия в сочетании со структурой энергетических уровней полярной молекулы может привести к повышенной чувствительности к нарушающим симметрию ядерным свойствам более чем на пять порядков по сравнению со стабильными атомами.

Исследователи — физики-ядерщики из Массачусетского технологического института и его коллеги — спектроскопически исследовали детальную структуру RaF, выполняя работу в эксперименте по коллинеарной резонансной ионизационной спектроскопии (CRIS) на установке радиоактивных ионных пучков изотопного сепаратора в режиме онлайн. Ядерные исследования (ИЗОЛЬДЕ-ЦЕРН).

Метод исследователей позволил с высокой чувствительностью картировать энергетические уровни RaF, определить схему лазерного охлаждения для замедления и захвата этой молекулы. Ученые быстро разрабатывают методы контроля и исследования ультрахолодных молекул. Эти методы в сочетании с новыми возможностями установок с радиоактивными лучами по производству больших количеств радиоактивных молекул , таких как CERN (Швейцария) и FRIB (США), открывают новый рубеж в исследовании атомных ядер и нарушении симметрии.