Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules

Diep in het hart van de materie, waar protonen en neutronen aan elkaar gebonden zijn om atoomkernen te vormen, ligt een subtiele asymmetrie die ons begrip van het universum zou kunnen herschrijven. Natuurkundigen vermoeden al lang dat de fundamentele krachten die deze deeltjes beheersen mogelijk niet perfect symmetrisch zijn, een schending die bekend staat als lading-pariteit-schending. Als een dergelijke schending bestaat, zou deze zich manifesteren als een minuscule, permanente scheiding van positieve en negatieve lading binnen de kern zelf, een eigenschap die het nucleaire Schiff-moment wordt genoemd. Het detecteren van dit minieme effect is ongelooflijk moeilijk omdat de elektronen rondom de kern de kern meestal voor het zicht afschermen. Wetenschappers hebben echter theoretisch onderbouwd dat als zij deze kernen in bepaalde moleculen zouden plaatsen, de interne elektrische velden van het molecuul dit verborgen signaal zouden kunnen versterken, waardoor het zichtbaar wordt voor gevoelige instrumenten. Deze zoektocht gaat niet alleen over het vinden van een nieuwe kracht; het is een sonde naar de natuurkunde die buiten ons huidige standaardmodel ligt, wat potentieel kan verklaren waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie. Om te slagen, moeten onderzoekers deze moleculen bestuderen terwijl ze bijna bewegingsloos zijn, waarbij ze ze koelen tot temperaturen van slechts enkele graden boven het absolute nulpunt om de thermische ruis weg te nemen die anders het signaal zou overstemmen.

Een team van onderzoekers heeft nu een beslissende stap gezet richting dit doel door een nieuwe manier te demonstreren om deze koude, radioactieve moleculen te creëren en te bestuderen. De wetenschappers, werkzaam bij een faciliteit in België, richtten zich op moleculen gemaakt van thorium en zuurstof, specifiek versies die zeldzame, kortlevende isotopen van thorium bevatten. Hun uitdaging was om een doelwit van vast materiaal om te zetten in een gas van moleculen, en dat gas vervolgens zo snel af te koelen dat de moleculen ophielden met wild trillen en draaien, zodat ze in een kalme, voorspelbare staat zouden wegzinken. Om dit te bereiken, gebruikten zij een techniek waarbij een gespecialiseerde nozzle, gevormd als een de Laval-nozzle, gas naar supersonische snelheden versnelt. Terwijl het gas door deze nozzle raast en uitdijt in een vacuüm, koelt het drastisch af, net zoals een straal samengeperste lucht koud aanvoelt wanneer deze je huid raakt, maar dan op een schaal waarbij de moleculen zelf bijna al hun interne warmte verliezen.

De onderzoekers begonnen met het creëren van een stroom thoriumoxide-moleculen. Ze gebruikten een krachtige laser om een klein puntje op een doelwit van thorium te bombarderen, waardoor het materiaal verdampte en een wolk van hete atomen en moleculen in een kamer gevuld met argongas werd gestuurd. Deze wolk werd vervolgens door een constante stroom argon naar de nozzle gevoerd. Terwijl het mengsel door de nozzle passeerde, koelde de snelle expansie de moleculen af. Het team gebruikte vervolgens een tweede set lasers om de moleculen te beproeven, waarbij ze licht met specifieke frequenties op de moleculen wierpen om te zien hoe ze energie absorbeerden. Door deze lasers zorgvuldig af te stemmen en de resulterende signalen te meten, konden zij de temperatuur van de moleculen op drie verschillende manieren bepalen: hoe snel ze naar voren bewogen, hoe snel ze draaiden en hoeveel ze vibreerden.

De resultaten waren opmerkelijk. De moleculen werden gekoeld tot een translationele temperatuur van ongeveer 12,5 Kelvin, wat ongeveer 12,5 graden boven het absolute nulpunt is. Nog indrukwekkender was dat hun draaibeweging, of rotatie, werd afgekoeld tot slechts 7,2 Kelvin. Deze extreme kou betekende dat de moleculen niet chaotisch rondtolden, maar in plaats daarvan op een zeer ordelijke wijze waren uitgelijnd, waardoor de onderzoekers hun spectrale lijnen met ongekende helderheid konden waarnemen. Hoewel ze de exacte temperatuur van de vibraties van de moleculen niet konden meten, vonden ze dat de moleculen niet in geëxciteerde toestanden vibreerden, wat een bovengrens van 250 Kelvin voor die temperatuur stelde. Dit niveau van koeling is een significante verbetering ten opzichte van eerdere methoden, die moleculen vaak te heet en chaotisch achterlieten om in detail te bestuderen.

Met de moleculen nu kalm en koud, was het team in staat om te meten hoe de energieniveaus van de moleculen verschoven wanneer zij verschillende isotopen van thorium gebruikten. Deze verschuiving, bekend als de isotoopverschuiving, bevat informatie over de grootte en vorm van de kern. Door hun metingen te vergelijken met theoretische berekeningen, ontdekten de onderzoekers dat de moleculen extreem gevoelig waren voor veranderingen in de nucleaire ladingradius. Zij bepaalden een veldverschuivingsfactor die aanzienlijk groter was dan wat men bij enkelvoudige atomen ziet, wat bevestigt dat moleculen inderdaad kunnen fungeren als krachtige versterkers voor deze nucleaire effecten. De experimentele gegevens kwamen goed overeen met complexe computersimulaties uitgevoerd door het team, die geavanceerde kwantummechanica gebruikten om te voorspellen hoe de elektronen en kernen met elkaar zouden interageren. Deze overeenkomst tussen de metingen in de echte wereld en de theoretische modellen geeft wetenschappers het vertrouwen dat hun instrumenten correct werken en dat ze op de goede weg zijn.

Dit werk is meer dan alleen een technisch succes; het opent een nieuwe deur voor het bestuderen van de zwaarste elementen in het periodiek systeem. Het vermogen om radioactieve moleculen zoals thoriumoxide te produceren en te koelen betekent dat wetenschappers nu deze precieze lasertechnieken kunnen toepassen op andere kortlevende isotopen die voorheen te moeilijk te hanteren waren. De onderzoekers zijn van plan deze methode te gebruiken om nog exotischere moleculen te bestuderen, mogelijk inclusief die met nobelium of lawrencium, elementen die slechts even bestaan voordat ze vervallen. Door de kunst van het koelen van deze vluchtige moleculen te beheersen, heeft het team de basis gelegd voor een nieuwe generatie experimenten die er eindelijk in kunnen slagen de subtiele symmetrie-schendingen te onthullen die diep in de atoomkern verborgen liggen, waardoor we dichter bij het begrijpen van de fundamentele regels komen die ons universum beheersen.