Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules
本文报告了首次成功将超声速气体射流用于冷却放射性一氧化钍分子，使其平动温度和转动温度分别降至约 12.5 K 和 7.2 K，从而实现了高精度激光光谱学，该技术揭示了对核电荷半径增强的敏感性，并验证了最先进的相对论分子计算。
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在物质的核心深处，质子和中子结合在一起形成原子核，那里存在着一种微妙的不对称性，可能会重写我们对宇宙的理解。物理学家长期以来一直怀疑，支配这些粒子的基本力可能并不完全对称，这种违反被称为电荷宇称（charge-parity）对称性破缺。如果这种破缺确实存在，它将表现为原子核内部正负电荷极其微小且永久性的分离，这种性质被称为核希夫矩（nuclear Schiff moment）。探测这种微小的效应极其困难，因为周围的电子通常会屏蔽掉它，使其无法被观测。然而，科学家们提出了一种理论：如果他们能将这些原子核置于特定的分子中，分子的内部电场可以放大这一隐藏的信号，使其能够被灵敏的仪器捕捉到。这项搜索不仅仅是为了寻找一种新的力，更是一种对超越当前标准模型的物理学的探测，有可能解释为什么宇宙是由物质而非反物质组成的。为了取得成功，研究人员必须在这些分子几乎静止的状态下对其进行研究，将其冷却到仅比绝对零度高出几度的温度，以消除那些会淹没信号的热噪声。
一支研究团队现在通过展示一种创造和研究这些冷放射性分子的崭新方法，向这一目标迈出了决定性的一步。在比利时的一处设施内，科学家们专注于由钍和氧构成的分子，特别是包含稀有、短寿命钍同位素的版本。他们面临的挑战是将目标固体材料转化为分子气体，然后如此迅速地冷却该气体，使分子停止剧烈地跳动和旋转，从而进入一种平静、可预测的状态。为了实现这一点，他们采用了一种涉及特殊喷嘴（形状类似于德拉瓦尔喷嘴，de Laval nozzle）的技术，该喷嘴能将气体加速至超音速。当气体流经该喷嘴并膨胀进入真空时，其温度会剧烈下降，就像压缩空气喷射到皮肤上感觉很凉一样，但在这种规模下，分子自身的内部热量几乎完全丧了。
研究人员首先开始制造氧化钍分子流。他们使用高功率激光器轰击钍靶材上的一个微小点，使材料汽化，并将一团炽热的原子和分子送入充满氩气的腔室中。随后，这团云团被随后的稳定氩气流推向喷嘴。当混合物经过喷嘴时，快速膨胀冷却了分子。随后，团队使用第二组激光器来探测分子，通过照射特定频率的光来观察它们如何吸收能量。通过仔细调节这些激光器并测量产生的信号，他们可以用三种方式确定分子的温度：它们向前移动的速度、它们旋转的速度以及它们振动的程度。
结果令人瞩目。分子的平动温度被冷却到了约 12.5 开尔文，即大约比绝对零度高出 12.5 度。更令人印象深刻的是，它们的旋转运动（或转动）被冷却到了仅 7.2 开尔文。这种极度的寒冷意味着分子并非在混沌地翻滚，而是以一种非常有序的方式排列，这使得研究人员能够以前所未有的清晰度观察到它们的谱线。虽然他们无法测量分子的精确振动温度，但他们发现分子并未处于激发态，从而将该温度的上界设定在 250 开尔文。这种冷却水平相比以往的方法有了显著改进，因为以往的方法往往会让分子过热且过于混乱，难以进行详细研究。
由于分子现在已经变得平稳且寒冷，团队得以测量当使用不同钍同位素时分子能级发生的偏移。这种被称为同位素位移（isotope shift）的现象，包含了关于原子核大小和形状的信息。通过将他们的测量结果与理论计算进行对比，研究人员发现这些分子对核电荷半径的变化极其敏感。他们测得的场位移因子显著大于在单原子中所见的数值，这证实了分子确实可以作为这些核效应的强大放大器。实验数据与团队进行的复杂计算机模拟高度吻合，这些模拟利用先进的量子力学来预测电子与原子核之间的相互作用。这种现实世界测量值与理论模型之间的一致性，让科学家们确信他们的工具正在正常工作，并且研究方向是正确的。
这项工作不仅仅是一次技术上的成功；它为研究周期表中重元素的研究开启了一扇新的大门。生产并冷却像氧化钍这样的放射性分子的能力，意味着科学家现在可以将这些精确的激光技术应用于其他此前难以处理的短寿命同位素。研究人员计划使用这种方法来研究更加奇异的分子，可能包括含有锎（nobelium）或劳伦斯鿬（lawrencium）的元素，这些元素在衰变前仅能存在片刻。通过掌握冷却这些转瞬即逝分子的艺术，该团队为新一代实验奠定了基础，这些实验最终可能会揭示隐藏在原子核深处的微妙对称性破缺，让我们离理解统治宇宙的基本法则更近一步。
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