Meilenstein in der Physik: Forscher erzeugen erstmals kalte radioaktive Moleküle

Forschenden ist es erstmals gelungen, gekühlte Moleküle herzustellen, die das radioaktive Element Radium enthalten. Damit wurden sie in einen Zustand versetzt, der für laserbasierte Quantenpräzisionsmessungen geeignet ist. Der Erfolg, der am 16. Juli in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, eröffnet neue Wege für Labor-Tischexperimente. Diese könnten helfen, eines der größten Rätsel der Physik zu lösen: warum im Universum Materie gegenüber Antimaterie dominiert.caltech+2

Ein birnenförmiger Schlüssel zur kosmischen Asymmetrie

Ein Team um Nick Hutzler, Physikprofessor am Caltech, entwickelte die Methode nach jahrelangem Experimentieren mit Radium, einem Element, das radioaktiv, hochreaktiv und nur in winzigen Mengen verfügbar ist. An der Forschung waren auch Partner der Johns Hopkins University und der Michigan State University beteiligt.phys+1

Die Attraktivität von Radium liegt in der ungewöhnlichen Birnenform seines Kerns. „Birnenförmige Atomkerne sind asymmetrisch und verstärken die potenziellen Signale, nach denen wir suchen, um die Asymmetrie von Materie und Antimaterie zu erklären, ganz erheblich“, so Hutzler. „Radium besitzt die seltene Birnenform, die wir benötigen, es wurde von Kernphysikern bereits intensiv erforscht und es bildet Moleküle, die sich ideal für laserbasierte Quantenpräzisionsmessungen eignen.“caltech+1

Bonbon-Chemie trifft Quantenphysik

Der Umgang mit mikroskopischen Mengen eines gefährlichen radioaktiven Elements erforderte kreative Problemlösungen. Das Team stabilisierte das Radium, indem es in eine zähflüssige Masse eingebettet wurde, deren Herstellung an die Bonbonproduktion erinnert: Radium wurde in Wasser und einem Zuckerersatzstoff aufgelöst, woraufhin das Wasser verdampft wurde. Nach Versuchen mit echtem Zucker, der sich als unzuverlässig erwies, entschieden sie sich für den zuckerfreien Süßstoff Xylit.phys+1

Die radiumhaltige Masse wurde auf einer Goldfolie in einer Kammer platziert, die mithilfe von Heliumgas auf rund minus 268 Grad Celsius (minus 450 Grad Fahrenheit) abgekühlt wurde. Anschließend regten Laser die Radiumatome in einen reaktiven Zustand an, sodass sie Moleküle bildeten: Radiummonohydroxid, Radiummonodeuteroxid und Radiummonofluorid. Diese konnten dann mittels hochauflösender Laserspektroskopie untersucht werden.caltech+2

Auf dem Weg zu einer neuen Physik

Die Moleküle können nun für Quantenpräzisionsmessungen genutzt werden, bei denen sie als Sensoren für Teilchen und Kräfte dienen, die von der bekannten Physik nicht vorhergesagt werden. „Die Moleküle wirken wie Antennen, die jene Eigenschaften verstärken, nach denen wir suchen“, erklärte Hutzler. Die Methode lässt sich auch auf andere Atome als Radium anwenden, was ihre potenzielle Bedeutung für die physikalische Grundlagenforschung weiter vergrößert.caltech