探索基本对称性的新方法

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文章来源:原理

每个领域都有一些核心的基本原理。生物学有进化论,地质学有板块构造学,而物理学则有守恒定律对称性。例如,我们熟悉的能量守恒定律告诉我们能量是守恒的——它既不能被创造也不能被毁灭;宇称对称告诉我们,真实世界中的物理过程与它们在镜像世界中遵循相同的物理学定律。

然而,如果物理定律是完美对称的,那么在宇宙大爆炸后应该产生了等量的物质和反物质。可是我们知道,可观测宇宙的绝大多数都是由物质组成的,反物质只占据了非常微小的一部分。这意味着在宇宙早期,某些未知的原因导致物质突然“占了上风”,成为了宇宙中的主导物质。

物理学家一直在寻找究竟是什么原因导致了物质和反物质的不平衡,但仍然没有得到满意的答案。他们进行了许多实验来寻找答案,在这个过程中,也发现了一些基本的对称性存在微妙的破缺。只是到目前为止,被物理学家观测到的不对称性不足以解释宇宙中的这种物质和反物质之间的不平衡。

现在,两个独立的研究小组分别在最新的《物理评论快报》上发表论文,报告了他们所发展出的可用于检测基本对称性破缺的新方法。其中一篇论文来自加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员,他们通过实验,证明了使用一种基于激光的方法,能创造并识别含有镭同位素的分子;另一篇来自加州理工学院的研究人员,他们所做的是对这些含有镭同位素的分子进行详细的理论研究,证实了这些分子可以作为检测基本对称性的灵敏探针

要产生现在我们观测到的宇宙中的这种物质和反物质不对称,其中一个必要条件便是CP对称性(C代表电荷共轭,P代表宇称)的破缺。CP对称性意味着在一个镜像世界中,反粒子的行为应当和与之对应的粒子完全相同。

在此之前,物理学家已经在一些实验中观测到了一定程度的CP对称性破缺;近来,有实验还观测到了中微子振荡中存在的CP破坏。但迄今为止,还没有出现更强的能解释宇宙中的物质和反物质不对称性的CP破坏。因此,不同领域的物理学家正努力寻找能够预测和检验CP破坏的新方法。

一些理论研究表明,含有一个或多个放射性核的分子,能够灵敏的“感知”到对称性破缺。CP破坏可以在这些分子的原子核中产生集体电偶极矩,进而使得原子和分子发生的电荷位移(席夫矩,这种位移能导致分子的能级发生可被测量的变化。

理论表明,这种效应与原子质量成正比,并且与原子核的形变有关。因此,RaOH⁺RaOCH³⁺等含有原子序数为Z=88的镭-225的分子,被认为是能够灵敏地“感知”CP破坏的优秀候选。然而问题在于,镭-225的寿命非常短,且只能少量产生,这为使用这些原子核进行实验带来了巨大挑战。

在新发表的两项研究中,加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家所发表的论文,描述了一种新的用于创造和识别放射性分子的方法。他们用动态的电场来捕获通过激光冷却的离子Ra⁺,然后将其与甲醇蒸汽混合。在一系列化学反应之后,产生了带电分子RaOH⁺或RaOCH³⁺,一部分这些分子可以与激光冷却的Ra⁺离子一起形成一种被称为库伦晶体的有序结构。

对含有镭同位素的分子的识别是非常具有挑战性的,为此,研究人员发展了一种全光学的方法,可以测量库仑晶体在离子阱的平衡位置附近振荡的频率:来自Ra⁺离子的荧光会被放置在固定位置的探测器接收,这种光信号频谱具有明确的波峰,但离子的运动会引发光的强度随时间出现变化。当离子的运动受到新产生的分子的质量影响,就可以从振荡频率的变化中推导出新分子的质量。| 图片来源:Max Ladabaum / UCSB

在实验中,研究人员没有直接使用镭-225,而是采用了相比之下寿命更长的镭-226同位素进行实验演示,这种原子中含有138个中子,没有核自旋。他们用3秒钟的时间测出了这些新产生的带电分子的质量,误差不到1/800。

加州理工学院的物理学家则对产生的这些RaOCH³⁺分子进行了理论研究。他们假设分子中的镭是镭-225,通过理论计算得出了这种分子的电子结构,并将关注点放在了对CP破坏极度敏感的超精细状态上。他们的计算结果证明了,RaOCH³⁺在测量席夫矩方面具有独特的优势,即使在实验过程中只有一个这样的分子被捕获,它们对对称性破缺的极端灵敏度也可能使分子能级上出现可被测量的变

实验和理论的结合为检测基本对称性这一物理学中重要的基本大问题带来了令人欣喜的进展。接下来,研究人员希望更进一步地改进实验方法,以便将含有用激光冷却的镭-225的分子应用于实验中。研究人员认为,新的研究成果提供了一种非常具有前景的实验方法,这些分子是极其灵敏的探测器,它们不仅能够被用于检测对称性破缺,还有可能灵敏地“感知”暗物质。

#创作团队:

编译:小雨

图片:岳岳

#参考来源:

https://physics.aps.org/articles/v14/3

https://www.news.ucsb.edu/2021/020142/enlightening-dark-ions

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023003

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023002

#图片素材来源

封面图:

Alexey_Hulsov / Pixabay

Max Ladabaum / UCSB

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