カリフォルニア工科大学の研究者たちは、放射性元素ウランを含む冷分子を初めて創造し、宇宙が物質と反物質が半々ではなく主に物質で構成される理由を探る新たな道を開きました。この突破口により、科学者たちはデスクトップ実験でウランを基にした分子を準備、冷却し、精密に研究することが可能になり、これらの分子は微小な信号を検出できる高度に敏感な量子探測器として機能する可能性があります。これは、現在の物理学を超える新たな粒子や力を示唆しています。科学者たちは、ビッグバンの後間もなく、物質と反物質が等しい量で生成されたと考えています。粒子とその反物質の対応物が出会うと相互に消滅するため、物理学者たちは普通の物質がなぜ生き残り、反物質がほぼ完全に消失したのかを長い間説明するのに苦労してきました。
この研究チームは物理学者ニック・ハッツラー（Nick Hutzler）が率いており、ウランを選んだ理由はその原子核の異常な特性にあります。ほとんどの原子核がほぼ球形であるのに対し、ウランの核は梨形をしており、これは研究者が検出しようとしている微小な対称性の破れの効果を増幅する可能性があります。ハッツラーは「梨形の核は非対称であり、物質と反物質の間の非対称性を説明するために我々が求めている潜在的な信号を大幅に増幅します。ほとんどの核はオレンジのように球形であったり、アメリカンフットボールのように一方向に引き伸ばされていますが、ウランは我々に必要な珍しい梨形を持っています。」と述べています。
しかし、ウランを扱うことは重大な課題に直面しています。この元素は放射性であり、高度に反応性があり、微量しか存在しません。安全に取り扱うために、研究者たちは製糖に触発された方法を開発しました。彼らはウランを水とキシリトールという糖の代替品と混ぜ、液体を蒸発させて濃厚で安定した材料を生成し、輸送と処理を容易にしました。
ウランの冷分子研究が量子探測器の発展への道を開く
ウランの混合物は、ヘリウム冷却された空間内の金箔の上に置かれ、その温度は約マイナス450華氏度に下げられます。その後、レーザーがウラン原子を化学反応状態に導き、分子を形成できるようにします。別のレーザーシステムは、これらの分子の量子特性を高精度で測定します。ハッツラーは、このプロセスの開発には数年の試験が必要だったと述べています。「小さなウランの塊から実験室で使用する冷分子にどのように変換するか？我々は何年にもわたる反復試験を経て、ウランを処理し、分子を作成し、それらを検出し、その特性を測定するためのプロトコルを確立しました。」
この方法はウラン以外の分野にも拡張できる可能性があります。研究者たちは、同様の技術を調整して他の重放射性分子を準備し、精密な量子実験を行うことができると述べています。チームはまた、通常微妙な量子測定を妨げるノイズを減少させることを目的とした「エンジニアリング分子時計」を開発中です。この技術はイットリウムを含む分子でテストされており、将来の研究でウランに応用されることが期待されています。「我々の目標は、これら非常に複雑な分子を利用して最適な量子ツールを創造することです。」とハッツラーは述べています。「我々は精密な量子制御のためのエンジニアリング分子を進めています。」
この研究は『サイエンス』（Science）誌に発表されました。