放射性分子可能有助于解决缺少反物质的宇宙之谜

恒星，星系以及宇宙中的一切，包括我们自己的身体，都是由所谓的常规物质组成的。规则物质包括原子和分子，它们由微小的粒子组成，例如电子，质子和中子。这些粒子支配着我们的宇宙，远远超过了鲜为人知的对应粒子：反物质粒子。反物质粒子最早于1932年由已故的诺贝尔奖获得者和加州理工学院的长期教授卡尔·安德森（卡尔·安德森（BS ’27，博士’30）进行实验发现。带负电的电子的反物质粒子，例如，是带正电的正电子。

事情如何使反物质蒙上阴影？科学家认为，在我们宇宙历史的早期发生了一些事情，以使粒子与物质的平衡达到极限，从而导致反物质在很大程度上消失。这是如何发生的仍然是一个谜。

在 Physical Review Letters杂志上的一项新研究中，加州理工学院物理学助理教授尼克·赫兹勒（BS 07）和他的研究生费兰（Phelan Yu）提出了一种基于桌面的新工具，以寻找反物质谜语的答案。像其他研究此问题的物理学家一样，研究人员的主要思想是寻找规则物质与电磁场相互作用的不对称性。这与通常在粒子中常见的一种对称类型有关，称为电荷奇偶校验或CP。与预期的CP对称性的任何偏离都可能解释了物质最终如何在我们的宇宙中反物质化。

在这项新研究中使用的是一氧化二氢镭离子或RaOCH3 +的结构的艺术表现形式。顶部突出显示不对称或梨形的镭核。

休茨勒和他的同事从理论上讲出了一种新方法，可以使用一种称为一氧化氢镭离子或RaOCH3 +的放射性分子来探测这些对称性违规情况。然后，由安德鲁·贾伊奇（Andrew Jayich）领导的他们在加州大学圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）的合作伙伴首次创建了这些分子，并将结果发表在物理评论快报（Physical Review Letters）的配套文章中。

联合研究表明，与当今常用的非放射性原子相比，放射性分子具有成为基本粒子对称性的更灵敏探针的潜力。

尼克·赫兹勒（Nick Hutzler）。

“这类研究的最新方法使用原子，” Hutzler解释说。“但是分子可能具有更好的探针性，因为它们具有非对称性。一开始它们是块状且不平衡的。镭核甚至更块状，因为它的电荷分布非常不均匀，这也有帮助。与现有技术相比，结果是对称违规放大了100,000至1,000,000。

为了寻找粒子中的对称违规，研究人员通常观察粒子在电场中的行为。他们寻找破坏已知对称规则的异常行为。例如，物理学家曾预言，违反对称性可能会导致电子在电场中进动或像旋转的陀螺一样摆动。由于分子的非对称性，分子内部具有电磁场，因此它们是此类工作的理想靶标。

赫兹勒说，他以前曾考虑过将镭基分子用于此目的，甚至称自己为“镭迷”。但他解释说，他们需要的同位素具有极强的放射性，半衰期为两周（一团镭的半衰期）会在短短两周内腐烂成其他原子核）。

赫兹勒解释说：“这种镭的放射性非常强，而且非常稀少，这使其工作起来很困难。”“但是RaOCH3 +分子的独特性质克服了许多这些挑战，并且与UC Santa Barbara展示的实验技术相结合，将使现代的，量子的，高度灵敏的方法能够搜索这些对称性违规。”

新的桌面方法是其他寻找反物质神秘线索的技术的补充，包括在赫兹勒实验室进行的相关实验以及中子电偶极矩或nEDM实验，该实验由布拉德·菲利彭在加州理工学院部分建造，弗朗西斯·莫斯利（Francis L. Moseley）物理教授及其团队。实际上，Hutzler是Filippone在Caltech的一名本科生时就曾从事过该实验。nEDM实验将在大约五年内最终在橡树岭国家实验室进行，该实验将寻找特别是在中子中违反CP对称性的现象。

Hutzler说：“这种新方法不像nEDM那样干净直接，但是通过使用整个分子，我们的优势是能够感知一系列粒子的对称性违规。”

放射性分子的方法要完全发展可能还需要花费数年的时间，但赫兹勒说，他一直很喜欢专注于这项工作的理论方面。

他说：“部分由于大流行，我们有更多的时间在家，因此我们在理论上已经开始涉猎更多。”“否则，我们可能不会做这项理论工作。”

参考：探索对称顶部分子中变形核的基本对称性，Phelan Yu和Nicholas R. Hutzler，2021年1月11日， Physical Review Letters。DOI：
10.1103 / PhysRevLett.126.023003

这项名为“探测对称顶部分子中变形核的基本对称性”的研究由美国国家标准技术研究院，戈登·贝蒂·摩尔基金会和阿尔弗雷德·P·斯隆基金会资助。

可以在美国物理学会的网站上找到有关该研究的更深入的摘要。