麻省理工学院朱棣文教授 信用:CC0公共领域 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能力与激光光谱学技术相结合，精确测量了一种短寿命的放射性分子——单氟化镭
对放射性分子的精确研究为科学家提供了在标准模型之外寻找新物理的可能性，例如违反自然界某些基本对称性的现象，并寻找暗物质的迹象
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
该研究的主要作者、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:“我们的结果为高精度研究短寿命放射性分子铺平了道路，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。”
加西亚·鲁伊斯的同事包括麻省理工学院的研究生亚历克斯·布林森，以及在日内瓦欧洲核子研究中心工作的一个国际研究小组
研究结果今天发表在《自然》杂志上
反转时间 最简单的分子由两个原子组成，每个原子都有一个由一定数量的质子和中子组成的原子核，这些质子和中子使一个原子比另一个原子重
每个原子核都被电子云包围着
在电场存在的情况下，这些电子可以重新分布，在分子内产生极大的电场
物理学家利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，当一个束缚的电子与分子的电场相互作用时，它的能量会因此而改变，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，它提供了一个测量它偏离球形的方法
根据粒子物理学的标准模型，基本粒子应该是大致球形的，或者具有可忽略不计的静电偶极矩
然而，如果粒子或系统存在永久电偶极矩，这将意味着自然界中的某些过程并不像物理学家假设的那样对称
例如，物理学家认为大多数基本物理定律应该随着时间的方向保持不变——这是一个被称为时间反转对称的原理
也就是说，不管时间是向前还是向后，例如，重力应该会使一个球沿着速度和空间的相同路径从悬崖上掉下来，或者滚回来
然而，如果一个电子不是完美球形，这就表明时间反转对称性被破坏了
这一违反将为解释为什么在我们的宇宙中物质比反物质多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，其内部电场越强
放射性分子——那些包含至少一个不稳定原子核的分子——可以被调整以最大化它们的内部电场
此外，重放射性原子核可以有梨形形状，这可以放大它们破坏对称性的特性
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，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
但是这些分子是短暂的，科学家们无法确定它们的位置
加西亚·鲁伊斯说:“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找不到，但在天体物理过程中却很丰富，如恒星爆炸或中子星合并。”
“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 该团队寻找制造镭单氟化合物(RaF)的方法，RaF是一种放射性分子，含有一个非常重、不稳定的镭原子和一个氟化物原子
这个分子特别有趣，因为镭核的某些同位素本身是不对称的，像一个梨，原子核的一端比另一端质量大
更重要的是，理论家们预测单氟化镭的能量结构将使分子能够经受激光冷却，这种技术使用激光来降低分子的温度，并使它们减速到足以进行精确的研究
虽然大多数分子有许多可以占据的能态，包括大量的振动和旋转态，但事实证明，单氟化镭更倾向于几个主要能级之间的电子跃迁——这是一种利用激光冷却来控制的非常简单的分子
该团队能够通过首先使用欧洲粒子物理研究所的同位素质量分离器在线或欧洲粒子物理研究所的ISOLDE设备制造少量分子来测量RaF的分子，然后使用共线共振电离光谱实验用激光对其进行操作和研究
在他们的实验中，研究人员利用了欧洲粒子物理研究所的质子同步加速器助推器，这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目标上，其能量如此之高，以至于冲击摧毁了铀，产生了一簇质子和中子，它们混合形成了包括镭在内的放射性原子核
研究人员随后注入了一种四氟化碳气体，这种气体与镭反应产生电荷，或者注入了一氟化镭离子分子，他们通过一个质量分离磁铁系统将这种分子与铀的其余副产品分离开来
然后，他们将分子固定在离子阱中，并用氦气包围它们，氦气将分子冷却到足以让研究人员测量它们的温度
接下来，研究小组通过重新加速分子并使它们通过CRIS装置来测量分子，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来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，在那里，研究人员还发射了两束激光——一束红色，另一束蓝色
研究小组上下调节红色激光的频率，发现在特定波长下，激光与分子发生共振，将分子中的一个电子激发到另一个能级，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，再次变成离子，被偏转并收集到粒子探测器上，使研究人员第一次能够测量它们的能级和相关的分子特性，这表明这些分子的结构确实有利于激光冷却
“在我们测量之前，这些分子的所有能级都是未知的，”加西亚·鲁伊斯说
“这就像试图在一个数百米宽的黑暗房间里找到一根针
现在我们已经找到了针，我们可以测量针的属性，并开始玩它
"
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