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用放射性分子确定外来核的大小

2021-07-15 15:07          原子核放射性同位素
美国密歇根州东兰辛密歇根州立大学稀有同位素束设施

新的研究表明,放射性分子可用于研究对基本对称性破坏特别敏感的奇异核的形状和大小的变化。

 

图1: 研究极性分子中的某些放射性原子核,例如一氟化镭中的镭原子核,是理解基本对称性违反的一种很有前景的方法,这可能是我们宇宙中反物质很少的原因

由于物质和反物质在我们所知的物理定律方面表现出近乎完美的对称性,物理学家预计早期宇宙中存在等量的物质和反物质。但更精确的天文和宇宙学观测结果表明,可见宇宙完全由物质主导,几乎没有任何反物质。是什么导致了物质的优势?物理学家怀疑,这个问题的答案在于基本的对称性违反,例如当时间箭头逆转时,亚原子粒子的相互作用是不一样的 [ 1 , 2 ]。发现这些违规的一种有希望的方法在于研究极性分子内的某些梨形放射性核(见观点:基本对称测试的设计分子)。研究表明,此类分子的能谱是异常敏感的对称破坏探针 [ 3 , 4 ]。为了利用这一发现潜力,研究人员需要更好地了解这些放射性分子的能谱。特别是,他们需要量化分子核与电子之间的相互作用如何影响分子的量子力学能级。麻省理工学院的 Silviu-Marian Udrescu 及其同事现在通过测量具有不同 Ra 同位素的一氟化镭 (RaF) 分子的量子力学能级来解决这个问题 [ 5]]。通过考虑各种 Ra 同位素的核大小,该团队确定了这些能级的同位素位移,并测试了用于预测分子光谱的量子化学模型 [ 5 ]。这种新方法将帮助研究人员使用具有这种和其他重核的分子来设计灵敏度不断提高的对称性破坏测试。

用这些分子测试对称性违反需要详细了解分子能级。原子核通过与电子的相互作用影响原子的能级。对于重核,影响能级的关键因素是核体积内电子密度的大小和变化。原子能级之间跃迁的激光光谱测量与原子理论相结合,使人们能够以一种独立于核模型的方式提取有关核形状和大小的定量信息 [ 6]]。该技术为核结构理论提供了强有力的测试,旨在预测这些特性。改变原子核内特定化学元素的中子数会导致原子能级发生微小但可测量的变化,称为同位素变化。对同位素链的原子中同位素位移的测量揭示了原子核形状和大小的变化,正如最近在 nobelium 中的工作所显示的那样(参见焦点:激光袋是一个巨大的核)[ 7 ]。尽管在分子中也可以观察到这些同位素变化,但直到现在还没有在含有比铅重的原子核的分子中测量到它们。

Udrescu 和同事现在已经使用激光光谱测量了一系列 Ra 同位素(原子量为 223-226 和 228)的 RaF 中的同位素位移。通过将这些同位素位移与 Ra 同位素大小的文献值相结合,研究人员提取了同位素位移常数,该常数描述了核大小对同位素位移的影响。然后,他们将测得的同位素位移常数与从量子化学计算得出的常数进行了比较。由于这个常数对电子量子力学波函数与核体积的重叠非常敏感,因此这种与实验的比较提供了对量子化学理论的严格检验。

研究人员通过用高能质子轰击铀目标,在欧洲核子研究中心的同位素分离器在线装置 (ISOLDE) 上产生了 Ra 同位素 [ 8 ]。团队组建 架子+架子+在四氟化碳气体存在的情况下加热该靶以产生分子离子。这些分子离子随后被提取、质量选择、冷却、聚集和中和,以形成含有特定 Ra 同位素的中性 RaF 分子脉冲束。为了对感兴趣的能量跃迁进行光谱测量,研究人员用激光照射这些中性分子,其频率可以通过分子光谱扫描。那些被共振激发的分子然后被第二束激光以不同的固定频率再次电离。然后,离子检测器根据可调激光频率对产生的 RaF+ 分子离子进行计数。

研究人员还使用相对论分子理论代码计算了同位素位移常数。尽管 RaF 分子只有一个价电子,但研究人员通过考虑最外层的 17 个电子及其之间的相关性来进行计算。他们还使用 27 个相关电子进行了一组有限的更耗时和更高精度的计算,并使用这些结果来缩放 17 个电子计算的结果。计算对核电荷分布的确切形状不太敏感,并且与实验结果一致,误差在 10% 以内。此外,该团队使用经验确定的同位素位移常数来推断所探测跃迁的基态和激发态之间有效电子密度的差异。这种差异,

这项工作的结果表明,该技术可以足够精确地测量分子同位素位移,以研究重元素同位素链上核形状和大小的变化。这一结论对研究外来锕系元素核的核结构具有重要意义,这些元素可能以分子形式比作为孤立原子更容易获得。此外,量子化学计算与实验数据的成功基准测试特别有价值,因为这些计算的可靠性是理解电子-核相互作用的关键,而这种相互作用决定了放射性分子对基本对称性破坏的敏感性。

Udrescu 及其同事研究过的某些放射性梨形原子核,例如镥原子核 [ 9 ] 和 Ra 原子核 [ 10 ],对基本对称性破坏具有极高的敏感性 [ 11 ]。当在 RaF 等极性分子内部探测这些奇异的原子核时,可以进一步增强这种灵敏度。通过提高激光光谱分辨率,研究人员将能够研究 RaF 以及一氧化钍 (ThO) 和一氧化镨 (PaO) 等其他放射性分子中与核自旋相关的效应。对分子同位素变化进行更精确的测量也可能使研究人员能够寻找新类型的外来力(参见概要:暗玻色子的提示)。

参考

HR Quinn,“物质和反物质之间的不对称性”,Phys. 今天 56 , 30 (2003)。

N. Fortson等人。,“寻找永久电偶极矩,” Phys。今天 56 , 33 (2003)。

P. Yu 和 NR Hutzler,“探测对称顶部分子中变形核的基本对称性”,物理学。牧师莱特。 126 , 023003 (2021)。

M. Fan等人。, “Cold 的光学质谱氢氧化钠+氢氧化钠+ 和 氧化铬+3氧化铬3+,”物理。牧师莱特。 126 , 023002 (2021)。

SM Udrescu等。, “一氟化镭分子的同位素位移”, Phys. 牧师莱特。 127 , 033001 (2021)。

P. 坎贝尔等人。,“用于核结构物理学的激光光谱学”,Prog。部分。核。物理。 86 , 127 (2016)。

S. Raeder等人。,“通过激光光谱探测铌同位素的大小和形状”,Phys. 牧师莱特。 120 , 232503 (2018)。

R. F. Garcia Ruiz等人。,“短寿命放射性分子的光谱学”,Nature 581 , 396 (2020)。

JT Singh,“使用捕获在光学晶体中的 Pa-229 离子搜索时间反转对称性破坏的新概念,” Hyperfine Interact。 240 , 29 (2019)。

LP Gaffney等。, “使用加速放射性束研究梨形原子核”,Nature 497 , 199 (2013)。

N.奥尔巴赫等。,“具有八极变形的核中的集体T和P奇电磁矩,” Phys。牧师莱特。 76 , 4316 (1996)。

关于作者

Jaideep Taggart Singh 的形象
Jaideep Taggart Singh 是密歇根州立大学 (MSU) 稀有同位素束设施的助理教授。他的团队应用各种原子、分子和光学物理技术来回答核物理和粒子物理中的基本问题。他工作的一个特别重点是创建、操纵和检测自旋极化核。Singh 在加州理工学院获得物理学学士学位和博士学位。弗吉尼亚大学物理学博士。在加入密歇根州立大学之前,他是伊利诺伊州阿贡国家实验室的主任博士后研究员和德国慕尼黑工业大学的博士后研究科学家。

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