北京
冷鐳分子有助科學家揭示為何物質留存了下來，而反物質卻幾乎消失殆盡。
加州理工學院的研究人員首次制造出含有放射性元素鐳的冷分子，為探究宇宙為何幾乎全由物質構成、而非物質與反物質各占一半開辟了新途徑。
這一突破使科學家能夠在桌面實驗中用激光制備、冷卻并精確研究基于鐳的分子。這些分子可充當高度靈敏的量子探針，能夠探測到極其微弱的信號，而這些信號或許暗示著現有物理之外的新粒子或新力。
科學家認為，大爆炸之后不久，物質與反物質是等量產生的。由于粒子與其反物質對應物一旦相遇就會彼此湮滅，物理學家長期難以解釋為何普通物質留存了下來，而反物質卻幾乎完全消失。
由物理學家尼克·赫茨勒領導的研究團隊選擇了鐳，原因在于其原子核具有一個不尋常的特征。與大多數近乎球形的原子核不同，鐳的原子核呈梨形，這種形狀能夠放大研究人員試圖探測的微小對稱性破缺效應。
梨形原子核至關重要
“梨形核是非對稱的，能極大地放大我們想要尋找的、用以解釋物質與反物質不對稱性的潛在信號。”赫茨勒說。
“大多數原子核要么像橙子一樣呈球形，要么像美式橄欖球那樣沿一個方向拉長。鐳則擁有我們想要的罕見梨形。”
然而，處理鐳面臨著巨大挑戰。這種元素具有放射性，化學性質高度活潑，并且只能獲得極微小的量。為了安全地操作它，研究人員開發了一種受糖果制作啟發的方法。他們將鐳與水和一種名為木糖醇的糖代用品混合，然后蒸發掉液體，制成一種濃稠、穩定的材料，便于運輸和后續加工。
鐳混合物被放置在氦冷卻腔室內的金箔上，腔內溫度降至約華氏零下450度（約零下268攝氏度）。接著，激光將鐳原子激發到化學反應活躍的狀態，使其形成分子。另一套激光系統則以極高的精度測量了這些分子的量子特性。
精密工具應運而生
據赫茨勒介紹，開發這一流程花費了多年測試。“怎樣將一丁點鐳變成可以在實驗室中用于桌面量子實驗的冷分子？”赫茨勒說，“我們歷經多年的反復嘗試，才終于制定出一套處理鐳、制造分子、探測它們并測量其特性的方案。”
這種方法的應用范圍可能超出鐳。研究人員表示，同樣的技術可加以改造，用于制備其他重放射性分子，以開展精密量子實驗。
該團隊還在開發“工程化分子鐘”，這種方法旨在降低通常干擾精密量子測量的噪聲。該技術已在含鐿分子上進行測試，并有望在未來研究中應用于鐳。
“我們的目標是用這些極其復雜的分子打造出最好的量子工具。”赫茨勒說，“我們正對分子進行工程設計，以實現精確的量子控制。”
這項研究發表在《科學》雜志上。
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