Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules

Tief im Herzen der Materie, wo Protonen und Neutronen zusammengebunden werden, um Atomkerne zu bilden, liegt eine subtile Asymmetrie, die unser Verständnis des Universums umschreiben könnte. Physiker vermuten schon lange, dass die fundamentalen Kräfte, die diese Teilchen steuern, möglicherweise nicht perfekt symmetrisch sind – eine Verletzung, die als Ladungs-Paritäts-Verletzung bekannt ist. Sollte eine solche Verletzung existieren, würde sie sich als eine winzige, permanente Trennung von positiver und negativer Ladung innerhalb des Kerns selbst manifestieren, eine Eigenschaft, die als nukleares Schiff-Moment bezeichnet wird. Den Nachweis dieses winzigen Effekts zu erbringen, ist unglaublich schwierig, da die Elektronen, die den Kern umgeben, ihn normalerweise vor der Sicht abschirmen. Wissenschaftler haben jedoch die Theorie aufgestellt, dass sie diese Kerne in bestimmte Moleküle einbetten könnten, wodurch die internen elektrischen Felder des Moleküls dieses verborgene Signal verstärken und es für empfindliche Instrumente sichtbar machen könnten. Bei dieser Suche geht es nicht nur darum, eine neue Kraft zu finden; es ist eine Sonde für eine Physik, die jenseits unseres aktuellen Standardmodells liegt, und könnte potenziell erklären, warum das Universum aus Materie statt Antimaterie besteht. Um erfolgreich zu sein, müssen Forscher diese Moleküle untersuchen, während sie nahezu unbeweglich sind, indem sie sie auf Temperaturen kühlen, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, um das thermische Rauschen zu eliminieren, das das Signal sonst übertönen würde.

Ein Team von Forschern hat nun einen entscheidenden Schritt in Richtung dieses Ziels unternommen, indem es einen neuen Weg zur Erzeugung und Untersuchung dieser kalten, radioaktiven Moleküle demonstriert hat. In einer Einrichtung in Belgien konzentrierten sich die Wissenschaftler auf Moleküle aus Thorium und Sauerstoff, speziell auf Versionen, die seltene, kurzlebige Isotope von Thorium enthalten. Ihre Herausforderung bestand darin, ein Zielmaterial in ein Gas aus Molekülen zu verwandeln und dieses Gas dann so schnell abzukühlen, dass die Moleküle aufhörten, wild zu zappeln und zu rotieren, um in einen ruhigen, vorhersehbaren Zustand überzugehen. Um dies zu erreichen, setzten sie eine Technik ein, die eine spezialisierte Düse umfasst, die in Form einer De-Laval-Düse gestaltet ist und das Gas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Während das Gas durch diese Düse schießt und in ein Vakuum expandiert, kühlt es dramatisch ab, ähnlich wie ein Strahl komprimierter Luft kalt auf die Haut wirkt, aber auf einer Skala, bei der die Moleküle selbst fast ihre gesamte interne Wärme verlieren.

Die Forscher begannen damit, einen Strom von Thoriumoxid-Molekülen zu erzeugen. Sie verwendeten einen Hochleistungslaser, um einen winzigen Punkt auf einem Target aus Thorium zu beschießen, wodurch das Material verdampft wurde und eine Wolke aus heißen Atomen und Molekülen in eine mit Argon gefüllte Kammer geschickt wurde. Diese Wolke wurde dann von einem stetigen Argonstrom in Richtung der Düse getragen. Als die Mischung die Düse passierte, kühlte die schnelle Expansion die Moleküle ab. Das Team verwendete dann einen zweiten Satz von Lasern, um die Moleküle zu sondieren, indem sie Licht bei spezifischen Frequenzen auf sie strahlten, um zu sehen, wie sie Energie absorbieren. Durch das sorgfältige Einstimmen dieser Laser und das Messen der resultierenden Signale konnten sie die Temperatur der Moleküle auf drei verschiedene Arten bestimmen: wie schnell sie sich vorwärts bewegten, wie schnell sie rotierten und wie stark sie vibrierten.

Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die Moleküle wurden auf eine Translationstemperatur von etwa 12,5 Kelvin gekühlt, was etwa 12,5 Grad über dem absoluten Nullpunkt entspricht. Noch beeindruckender war, dass ihre Rotationsbewegung, oder Rotation, auf nur 7,2 Kelvin gekühlt wurde. Diese extreme Kälte bedeutete, dass die Moleküle nicht chaotisch umhertumbelten, sondern stattdend in einer sehr geordneten Weise ausgerichtet waren, was es den Forschern ermöglichte, ihre Spektrallinien mit beispielloser Klarheit zu sehen. Obwohl sie die exakte Temperatur der Vibrationen der Moleküle nicht messen konnten, fanden sie heraus, dass die Moleküle nicht in angeregten Zuständen vibrierten, was die Obergrenze für diese Temperatur auf 250 Kelvin festlegte. Dieses Niveau der Kühlung stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber bisherigen Methoden dar, die Moleküle oft zu heiß und chaotisch hinterließen, um sie im Detail untersuchen zu können.

Mit den nun ruhigen und kalten Molekülen war das Team in der Lage zu messen, wie sich die Energieniveaus der Moleküle veränderten, wenn sie verschiedene Isotope von Thorium verwendeten. Diese Verschiebung, bekannt als Isotopenverschiebung, enthält Informationen über die Größe und Form des Kerns. Durch den Vergleich ihrer Messungen mit theoretischen Berechnungen fanden die Forscher heraus, dass die Moleküle unglaublich empfindlich auf Änderungen des nuklearen Ladungsradius reagierten. Sie bestimmten einen Feldverschiebungfaktor, der signifikant größer war als das, was in einzelnen Atomen beobachtet wird, was bestätigte, dass Moleküle in der Tat als leistungsstarke Verstärker für diese nuklearen Effekte fungieren können. Die experimentellen Daten stimmten gut mit komplexen Computersimulationen überein, die das Team durchgeführt hatte, wobei fortgeschrittene Quantenmechanik genutzt wurde, um vorherzusagen, wie die Elektronen und Kerne miteinander interagieren würden. Diese Übereinstimmung zwischen den realen Messungen und den theoretischen Modellen gibt den Wissenschaftlern die Gewissheit, dass ihre Werkzeuge korrekt funktionieren und dass sie auf dem richtigen Weg sind.

Diese Arbeit ist mehr als nur ein technischer Erfolg; sie öffnet eine neue Tür zur Untersuchung der schwersten Elemente im Periodensystem. Die Fähigkeit, radioaktive Moleküle wie Thoriumoxid zu erzeugen und zu kühlen, bedeutet, dass Wissenschaftler nun diese präzisen Lasermethoden auf andere kurzlebige Isotope anwenden können, die zuvor zu schwierig zu handhaben waren. Die Forscher planen, diese Methode zur Untersuchung noch exotischerer Moleküle einzusetzen, was potenziell Elemente wie Nobelium oder Lawrencium einschließt, die nur Augenblicke existieren, bevor sie zerfallen. Indem sie die Kunst der Kühlung dieser flüchtigen Moleküle meistern, haben die Forscher den Grundstein für eine neue Generation von Experimenten gelegt, die schließlich die subtilen Symmetrieverletzungen enthüllen könnten, die tief im Atomkern verborgen liegen, und uns der Entschlüsselung der fundamentalen Regeln näher bringen könnten, die unser Universum regieren.