Uno ione molecolare sconosciuto è raffigurato in una trappola con due ioni radio. La fluorescenza degli ioni radio fornisce una misurazione della massa dello ione misterioso, identificandolo come RaOCH 3+ attraverso il metodo introdotto da Fan e dai suoi colleghi. Credito fotografico: Max Ladabaum
Ogni campo ha i suoi principi di base. Per l'economia è l'attore razionale; la biologia ha la teoria dell'evoluzione; la geologia moderna poggia sulla roccia della tettonica a zolle.
La fisica ha leggi di conservazione e simmetrie. Ad esempio, la legge di conservazione dell'energia - che sostiene che l'energia non può essere né creata né distrutta - ha guidato la ricerca in fisica fin dall'antichità, diventando più formalizzato col passare del tempo. Allo stesso modo, la simmetria di parità suggerisce che la commutazione di un evento per la sua immagine speculare non dovrebbe influire sul risultato.
Poiché i fisici hanno lavorato per comprendere le regole davvero bizzarre della meccanica quantistica, sembra che alcune di queste simmetrie non sempre reggano. Il professor Andrew Jayich si concentra sullo studio di queste violazioni di simmetria nel tentativo di far luce sulla nuova fisica. Lui e i membri del suo laboratorio hanno appena pubblicato un articolo in Lettere di revisione fisica segnalare i progressi nella sintesi e nel rilevamento di ioni che sono tra le misure più sensibili per le violazioni della simmetria temporale (T).
La simmetria temporale implica che le leggi della fisica sembrano le stesse quando il tempo scorre avanti o indietro. "Per esempio, il percorso di una palla da biliardo su un tavolo semplicemente ripercorre il suo corso se la freccia del tempo viene invertita, "Ha detto Jayich. Ma questo non vale per tutte le interazioni fisiche.
Capire quando e perché la simmetria T si rompe potrebbe fornire risposte ad alcune delle più grandi domande aperte in fisica, come il motivo per cui l'Universo è pieno di materia e manca di antimateria. "Le leggi della fisica come le conosciamo trattano materia e antimateria su un piano di parità, "Jayich ha detto, "eppure gli eventi nei primi istanti dell'Universo hanno favorito la materia rispetto all'antimateria". Questi sono problemi difficili da risolvere, con quasi un secolo di lavoro alle spalle.
Per rispondere a queste domande, Jayich e il suo team hanno sintetizzato in modo controllabile, molecole radioattive intrappolate e raffreddate, RaOCH 3+ e RaOH + , che forniscono grandi miglioramenti nella sensibilità alla violazione della simmetria T. Primo autore Mingyu Fan, uno studente di dottorato nel laboratorio di Jayich, scoperto una tecnica per rilevare gli ioni oscuri nella loro trappola elettromagnetica. Queste particelle non disperdono la luce, il che significa che i ricercatori non possono rilevarli con una telecamera.
Durante la regolazione di alcuni dei parametri sperimentali, Fan ha notato gli ioni intrappolati, che normalmente siedono molto fermi, oscillavano rapidamente ad un'ampiezza grande ma fissa. Ha capito che questo comportamento fornisce un segnale forte per rilevare questi ioni sfuggenti. "Questa amplificazione controllata del movimento ci consente di misurare la frequenza del movimento dello ione, e quindi la sua massa in modo preciso e rapido, " ha detto Fan.
Jayich e Fan hanno riportato il loro successo nel raffreddamento degli ioni radio del laser in uno studio precedente, che è stato il primo a realizzare questa impresa per l'elemento pesante. La recente scoperta del laboratorio li avvicina al loro obiettivo finale di utilizzare molecole radioattive per testare le violazioni della simmetria temporale.
I ricercatori hanno utilizzato il radio-226, che ha 138 neutroni e nessuno spin nucleare, nel loro lavoro recente. Hanno in programma di utilizzare l'isotopo leggermente più leggero, radio-225, che ha lo spin nucleare necessario, nei loro esperimenti pianificati di violazione della simmetria. Altri membri del laboratorio stanno lavorando per raffreddare il laser e intrappolare gli ioni radio-225 ed eseguire la spettroscopia ottica sulle molecole radioattive che lo contengono.
"Questi risultati sono una chiara svolta per i nostri 'grandi' esperimenti pianificati, " ha detto Jayich. "Abbiamo realizzato questi rilevatori incredibilmente sensibili, dove una singola molecola ha la sensibilità per fissare nuovi limiti alla T-violazione. Questo apre un nuovo paradigma per misurare la violazione del T".
