激光光谱揭示氟化锕的神秘特性

要解释宇宙重子不对称性，需满足萨哈罗夫条件中电荷共轭和宇称联合对称性（CP）破缺的要求。在粒子物理标准模型中，弱核力通过卡比博-小林-益川矩阵的复相位产生CP破缺（如K介子衰变），强核力则通过量子色动力学（QCD）的θ̄相位项。但标准模型中的CP破缺项上限无法解释观测到的宇宙重子不对称，因此理论预言存在新的CP破缺源。轻子、强子和原子核的CP奇异性会表现为对称性破缺的电磁矩，进而导致原子和分子的跃迁频率偏移，可通过高精度测量探测，为寻找CP破缺和超出标准模型的物理提供敏感途径。

由于束缚电子的静电屏蔽，中性原子和分子不适合测量原子核的CP奇电偶极矩（EDM），实验转而寻找核希夫矩——它通过π介子-核子相互作用的手征有效场论与QCD拉氏量相关联。尽管全球实验在199Hg、205Tl、225Ra等核中测量希夫矩，但目前仅确定了上限。未来实验需结合理论寻找希夫矩增强的核，以提高观测非零信号的几率。

具有静态八极形变的重放射性核，因反射不对称形状产生角动量相同但宇称相反的近简并态，在其固有参考系中希夫矩增强。理论研究显示，最长寿的锕同位素225,227Ac预期具有最大核希夫矩，近期有人提出用227Ac的穆斯堡尔光谱研究其CP奇电矩和偶磁矩。重极性分子因内部强电场和高极化率，是目前搜索强子、轻子和核CP破缺性质的最灵敏探针，因此含锕极性分子（如氟化锕AcF）为研究重形变锕核的CP破缺提供了理想方向。

227Ac半衰期21.8年，衰变链长，宏观样品放射性过强难以运输。CERN-ISOLDE等放射性离子束设施可制备锕分子，在辐射防护环境中开展实验。ISOLDE的在线同位素分离（ISOL）方法已能可靠产生放射性分子离子束，且通过分子形成可纯化离子束、提高提取效率。锕化学性质稳定（难熔），在富氧环境中形成高熔点陶瓷，限制了自身及氧化物、氮化物的提取率，因此需制备更易挥发的氟化物以提高产率。分子数影响散粒噪声极限精度，227AcF的可获得性对其精密光谱研究至关重要。

此前尚无AcF的实验光谱研究。X1Σ+基态的最强电子跃迁知识对精密测量至关重要（因其无亚稳态3Δ1的有限辐射寿命问题），也是评估光学读出效率和激光冷却潜力的基础。因此需光谱实验表征AcF性质，同时验证放射性分子的相对论从头算量子化学预测。

本研究在CERN-ISOLDE制备了高强度、化学和同位素纯的227Ac19F+束流（图1）。用1.4 GeV质子轰击铀碳化物（UCx）靶产生锕核素，照射两周后将靶加热至>1300°C提取锕，通入四氟化碳（CF4）形成氟化物分子。采用强制电子束诱导弧放电离子源电离，经质量分离、冷却聚束后，在钠蒸气电荷交换池中中和，再激光共振电离。多反射飞行时间质谱显示束流仅含227Ac19F+（半衰期21.8年），无其他分子杂质。

在共线共振电离光谱（CRIS）实验中，用两步脉冲激光方案搜索AcF基态电子跃迁（图2a）。钛蓝宝石激光倍频产生377-400 nm紫外光扫描，355 nm Nd:YAG激光非共振电离激发态分子。相对论Fock空间耦合簇（FS-RCC）计算预测X1Σ+基态在该范围仅向（8）1Π激发态有一个强跃迁。实验在25770-25860 cm-1处观测到唯一共振峰（图2b,e），结合分子常数和弗兰克-康登因子拟合，确认为（8）1Π←X1Σ+的对角振动序列，与理论计算一致（图2f）。

观测到的振动跃迁间距在v″>1时不均匀，振动态势能非谐性需未来高分辨光谱研究。（8）1Π态辐射寿命理论计算为6.65 ns，实验测得上限τexp≤38(4) ns，对应辐射衰变率下限Γ≥2.6(3)×107 s-1，支持跃迁强度与（8）1Π态的指认。

为评估227AcF精密实验约束CP破缺的潜力，本研究计算了其电子和核结构对CP奇异性的敏感性。采用四分量Dirac-Coulomb和Dirac-Coulomb-Gaunt哈密顿量的相对论耦合簇理论，算得X1Σ+态对核希夫矩的敏感度WS=-7748(545) e/(4πε0a04)，考虑了电子关联等高阶效应，不确定性7%（主要来自平衡键长）。

采用两分量零级规则近似复广义Hartree-Fock（2c-ZORA-cGHF）框架，计算了AcF对核希夫矩（WS）、张量-赝张量电子-核子相互作用（WT）、电子EDM（Wd）和标量-赝标量电子-核子相互作用（Wsps）的敏感度（图3a）。闭壳分子（如AcF）的Wd和Wsps受电子-质子质量比抑制，需通过核磁偶极矩的电子磁化产生二级效应Wdm和Wspsm，与开壳分子互补提供CP破缺信息。

结合227Ac核的希夫矩核结构计算（核密度泛函理论NDFT），发现227Ac的实验室系希夫矩Slab对CP奇π介子-核子相互作用（同位标量a0、同位矢量a1、同位张量a2）和重介子交换相互作用（b1、b2）的敏感度系数显著高于其他核（如225Ra）（图3b）。其固有系希夫矩Sint=37.1(16) e fm3，比225Ra高40%（图3c）。

将WS与核敏感度结合，估算227AcF分子因希夫矩产生的CP奇能量偏移（图3d）。1 mHz精度实验（100天测量）可将七维CP破缺参数超空间的约束体积缩小6×103倍，0.1 mHz精度则缩小6×104倍（图4），优于现有Hg、Tl等实验，有望显著改进对θ̄相位等CP破缺参数的限制。

本研究展示的227AcF产率和光谱特性表明，结合气体喷射等技术，可实现所需实验精度。未来需开展高分辨光谱研究其振转结构，并拓展至其他放射性分子，推动基础物理、核物理和化学研究。