Fysikere kommer tættere på at undersøge de symmetrier, der ligger til grund for vores univers

Hvert felt har sine underliggende principper. For økonomi er det den rationelle aktør; biologi har evolutionsteorien; moderne geologi hviler på pladetektonikkens grundfjeld.

Fysik har bevarelseslove og symmetrier. For eksempel, loven om bevarelse af energi - der fastholder, at energi hverken kan skabes eller ødelægges - har siden antikken styret forskningen i fysik, bliver mere formaliseret som tiden gik. Ligeledes, paritetssymmetri tyder på, at skift af en hændelse til dens spejlbillede ikke bør påvirke resultatet.

Mens fysikere har arbejdet på at forstå kvantemekanikkens virkelig bizarre regler, det ser ud til, at nogle af disse symmetrier ikke altid holder. Professor Andrew Jayich fokuserer på at undersøge disse symmetriovertrædelser i et forsøg på at kaste lys over ny fysik. Han og hans laboratoriemedlemmer har netop offentliggjort et papir i Fysiske anmeldelsesbreve rapportering af fremskridt med at syntetisere og detektere ioner, der er blandt de mest følsomme mål for tids (T) symmetriovertrædelser.

Tidssymmetri indebærer, at fysikkens love ser ens ud, når tiden løber frem eller tilbage. "For eksempel, banen for en poolbold på et bord går simpelthen tilbage, hvis tidens pil vendes om, " sagde Jayich. Men det gælder ikke for alle fysiske interaktioner.

At forstå, hvornår og hvorfor T-symmetri bryder sammen, kunne give svar på nogle af de største åbne spørgsmål i fysik, såsom hvorfor universet er fyldt med stof og mangler antistof. "Fysikkens love, som vi kender dem, behandler stof og antistof på lige fod, " sagde Jayich, "alligevel favoriserede begivenheder i universets tidlige øjeblikke stof frem for antistof." Det er svære problemer at knække, med næsten et århundredes arbejde bag sig.

For at besvare disse spørgsmål, Jayich og hans team har kontrolleret syntetiseret, fanget og afkølet radioaktive molekyler, RaOCH ³⁺ og RaOH ⁺ , som giver store forbedringer i følsomhed over for T-symmetri-overtrædelse. Første forfatter Mingyu Fan, en ph.d.-studerende i Jayichs laboratorium, opdagede en teknik til at opdage mørke ioner i deres elektromagnetiske fælde. Disse partikler spreder ikke lys, hvilket betyder, at forskerne ikke kan opdage dem med et kamera.

Mens du justerer nogle af de eksperimentelle parametre, Fan lagde mærke til de fangede ioner, som normalt sidder meget stille, svingede hurtigt med en stor, men fast amplitude. Han fandt ud af, at denne adfærd giver et stærkt signal til at detektere disse undvigende ioner. "Denne kontrollerede forstærkning af bevægelsen giver os mulighed for at måle ionens bevægelsesfrekvens, og dermed dens masse præcist og hurtigt, " sagde Fan.

Jayich og Fan rapporterede deres succes med laserkøling af radiumioner i en tidligere undersøgelse, som var den første til at opnå denne bedrift for det tunge element. Laboratoriets nylige gennembrud bringer dem tættere på deres ultimative mål om at bruge radioaktive molekyler til at teste tidssymmetriovertrædelser.

Forskerne brugte radium-226, som har 138 neutroner og intet nuklear spin, i deres seneste arbejde. De planlægger at bruge den lidt lettere isotop, radium-225, som har det nødvendige nukleare spin, i deres planlagte eksperimenter med overtrædelse af symmetri. Andre medlemmer af laboratoriet arbejder på bestræbelser på at laser afkøle og fange radium-225 ioner og udføre optisk spektroskopi på de radioaktive molekyler, der indeholder det.

"Disse resultater er et klart gennembrud for vores planlagte 'store' eksperimenter, " sagde Jayich. "Vi har lavet disse utroligt følsomme detektorer, hvor et enkelt molekyle har følsomheden til at sætte nye grænser for T-overtrædelse. Dette åbner et nyt paradigme for måling af T-krænkelse."