Radioaktive molekyler kan hjælpe med at løse mysteriet om manglende antistof

Stjerner, galakser, og alt i universet, inklusive vores egen krop, består af såkaldt regulært stof. Regelmæssigt stof omfatter atomer og molekyler, som består af små partikler, såsom elektroner, protoner, og neutroner. Disse partikler dominerer vores univers, langt flere end deres mindre kendte modstykker:antistofpartikler. Først eksperimentelt opdaget i 1932 af den afdøde nobelpristager og mangeårige Caltech-professor Carl Anderson, antistofpartikler har de modsatte ladninger til deres stoflige modstykker. Antistofpartikelen til den negativt ladede elektron, for eksempel, er den positivt ladede positron.

Hvordan kom stof til at overskygge antistof? Forskere mener, at der skete noget tidligt i vort kosmos historie for at vælte balancen mellem partikler til stof, får antistof stort set til at forsvinde. Hvordan dette skete er stadig et mysterium.

I en ny undersøgelse i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , Nick Hutzler, assisterende professor i fysik ved Caltech, og hans kandidatstuderende Phelan Yu, foreslå et nyt bordpladebaseret værktøj til at søge efter svar på antistof-gåden. Ligesom andre fysikere, der studerer problemet, forskernes hovedidé er at lede efter asymmetrier i, hvordan regulært stof interagerer med elektromagnetiske felter. Dette er relateret til en type symmetri, der almindeligvis ses i partikler kaldet ladningsparitet, eller CP. Enhver afvigelse fra den forventede CP-symmetri kan forklare, hvordan stof i sidste ende forsvandt ud af antistof i vores univers.

Hutzler og hans kolleger udarbejdede teoretisk en ny måde at undersøge disse symmetriovertrædelser ved hjælp af et radioaktivt molekyle kaldet en radiummonomethoxidion, eller RaOCH ₃ ⁺ . Deres partnere på UC Santa Barbara, ledet af Andrew Jayich, skabte derefter disse molekyler for første gang og publicerede resultaterne i en ledsagende artikel i Fysisk gennemgangsbreve .

De fælles undersøgelser viser, at radioaktive molekyler har potentialet til at være endnu mere følsomme prober af fundamentale partikelsymmetrier end de ikke-radioaktive atomer, der almindeligvis anvendes i dag.

"Den state-of-the-art metode til denne type undersøgelse bruger atomer, " forklarer Hutzler. "Men molekyler kan være endnu bedre sonder, fordi de har indbygget asymmetri. De er klumpet og skæve til at begynde med. Radiumkernen er endnu mere klumpet, da den har en meget ujævn ladningsfordeling, og det hjælper også. Resultatet er 100, 000 til 1, 000, 000 større forstærkning af symmetriovertrædelser, hvis nogen er til stede, sammenlignet med, hvad der har været state of the art."

For at se efter symmetriovertrædelser i partikler, forskere observerer generelt, hvordan partikler opfører sig i elektriske felter. De søger efter unormal adfærd, der bryder de kendte symmetriregler; for eksempel, fysikere har forudsagt, at symmetriovertrædelser kan få en elektron til at præcessere, eller slingre rundt som en snurretop, i et elektrisk felt. Molekyler har elektromagnetiske felter inde i dem, på grund af deres asymmetriske karakter, så de laver ideelle mål for denne form for arbejde.

Hutzler siger, at han havde tænkt på at bruge radium-baserede molekyler til dette formål før, selv kalder sig selv en "radium fanboy, " men forklarede, at den isotop, de har brug for, er ekstremt radioaktiv med en halveringstid på to uger (halvdelen af ​​en klump radium vil henfalde til andre kerner på kun to uger).

"Denne radiumisotop er meget radioaktiv og meget knap, hvilket gør arbejdet med det svært, " forklarer Hutzler. "Men de unikke egenskaber ved RaOCH ₃ ⁺ molekyle overvinde mange af disse udfordringer, og, når det kombineres med den eksperimentelle teknik demonstreret på UC Santa Barbara, vil muliggøre moderne, kvante, meget følsomme metoder til at søge efter disse symmetriovertrædelser."

Den nye bordplademetode er komplementær til andre teknikker, der søger efter spor til antistof-mysteriet, inklusive relaterede eksperimenter udført i Hutzler-laboratoriet samt neutronen Electric Dipole Moment, eller nEDM eksperiment, som delvist bygges på Caltech af Brad Filippone, Francis L. Moseley professor i fysik, og hans hold. Faktisk, Hutzler arbejdede sammen med Filippone på dette eksperiment som bachelorstuderende ved Caltech. nEDM-eksperimentet, som i sidste ende vil finde sted på Oak Ridge National Laboratory om cirka fem år, vil lede efter CP-symmetriovertrædelser specifikt i neutroner.

"Denne nye tilgang er ikke så ren og direkte som nEDM, men ved at bruge et helt molekyle, vi har fordelen af ​​at være i stand til at fornemme symmetriovertrædelser i en række partikler, " siger Hutzler.

Det kan tage flere år at udvikle tilgangen til radioaktive molekyler, men Hutzler siger, at han har nydt at fokusere på det teoretiske aspekt af arbejdet.

"Vi er begyndt at boltre os mere i teori, delvist på grund af pandemien og have mere tid derhjemme, " siger han. "Vi ville nok ikke have lavet dette teoriarbejde ellers."

Studiet, med titlen "Undersøge fundamentale symmetrier af deformerede kerner i symmetriske topmolekyler, " blev finansieret af National Institute of Standards and Technology, Gordon og Betty Moore Foundation, og Alfred P. Sloan Foundation.