Фрагмент схемы экспериментальной установки
R. F. Garcia Ruiz et al. / Nature, 2020
В CERN провели первую в мире лазерную спектроскопию короткоживущих радиоактивных молекул. Эксперимент позволяет исследовать нестабильные системы со временем жизни от сотых долей секунды и искать явления за пределами Стандартной модели. Статья опубликована в журнале Nature.
Радиоактивными принято называть молекулы, в состав которых входят атомы с нестабильными ядрами. В некоторых из таких систем по сравнению с одиночными атомами значительно усиливаются эффекты, связанные с нарушением симметрий обращения координат и времени. Это придает экспериментам по измерению свойств радиоактивных молекул важность с точки зрения фундаментальной физики. Данные подобных опытов дают возможность проверять теоретические модели и выходить за рамки их предсказаний. С другой стороны, в таких исследованиях ученые сталкиваются с целым набором проблем. Взаимодействия между атомами значительно влияют на систему квантовых уровней и усложняют спектроскопию молекул, тогда как нестабильность ядер ограничивает время жизни, доступную массу и скорость производства таких систем.
Коллектив ученых из девяти стран, который возглавил Р. Ф. Гарсия Руис (R. F. Garcia Ruiz) из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), впервые провел лазерную спектроскопию радиоактивных молекул монофторида радия (RaF). Физики проделали эксперимент на базе комплекса ISOLDE (Isotope Separator On-Line Detector) — эта установка позволяет производить и сортировать изотопы в широком диапазоне масс.
Атомы радия, которые необходимы для образования молекул RaF, ученые изготовили более чем за месяц до проведения спектроскопии. Для этого они на протяжении двух суток облучали ускоренными до энергии 1,4 гигаэлектронвольт пучками протонов мишень из карбида урана. После этого материал поместили в герметичную камеру, которую заполнили аргоном, и только через 33 дня приступили к формированию радиоактивных молекул. Чтобы заставить изотопы радия диффундировать к поверхности мишени, экспериментаторы создали температуру в 1300°C и понизили давление до 10–5 миллибар (в сто миллионов раз меньше типичного атмосферного давления). При помощи специального клапана они ввели в среду газообразный тетрафторметан (CF4), который взаимодействовал с атомами радия. Продуктом реакции становились молекулярные ионы RaF+, которые удалялись из мишени электростатическим полем и проходили высокоточную (с разрешением 1÷2000) сортировку в масс-сепараторе. Затем пучок RaF+ на протяжении десяти миллисекунд замедляли в гелии при комнатной температуре. Наконец, замедленные молекулярные ионы проходили через камеру с парами натрия (который имеет близкую энергию ионизации) и, забирая у последнего электрон, становились нейтральными молекулами RaF, в то время как оставшиеся заряженными ионы RaF+ установка отклоняла в сторону.
После этого радиоактивные молекулы оказывались в области высокого вакуума (при давлении 10-10 миллибар, что уже в 10 триллионов раз меньше атмосферного), где на них поочередно светили двумя лазерными лучами. Длину волны первого лазера ученые регулировали в диапазоне от 600 до 780 нанометров, чтобы энергия фотона совпала с энергией возбужденного уровня молекулы. Второй лазер имел фиксированную длину волны в 355 нанометров — с помощью энергии его излучения молекула переходила из возбужденного состояния в ионизированное (тогда как на основном уровне энергии для такого перехода не хватало). Возникающие молекулярные ионы RaF+ регистрировал детектор. Снимая зависимость числа событий на детекторе от длины волны первого лазера, физики измерили спектр энергетических возбуждений (то есть набор квантовых уровней энергии) радиоактивной молекулы.
Авторы отмечают, что разработанный опыт можно применять для изучения не только монофторида радия, но и целого ряда других нестабильных соединений со временем жизни от десятков миллисекунд, которые ранее не удавалось исследовать экспериментально (среди них RaOH, RaO, RaH, AcF и ThO). Кроме того, разработки в этой области помогут развитию таких отраслей, как квантовая химия и радиохимия, и даже принесут пользу астрофизикам — последние в будущих наблюдениях смогут надежно идентифицировать нужные радиоактивные молекулы.
За последний месяц мы рассказывали о результатах еще нескольких передовых экспериментов: физикам удалось создать запутанность между атомом и молекулой, обнаружить кристаллы Паули и заменить электрон на пион в атоме гелия.
Николай Мартыненко
Оценили 4 человека
3 кармы