Elk vakgebied heeft zijn onderliggende principes. Voor economie is het de rationele actor; biologie heeft de evolutietheorie; moderne geologie rust op het fundament van de platentektoniek.

Natuurkunde heeft behoudswetten en symmetrieën. Bijvoorbeeld, de wet van behoud van energie - die stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd - heeft sinds de oudheid het onderzoek in de natuurkunde geleid, steeds meer geformaliseerd naarmate de tijd verstreek. Hetzelfde, pariteitssymmetrie suggereert dat het wisselen van een gebeurtenis voor zijn spiegelbeeld de uitkomst niet zou moeten beïnvloeden.

Terwijl natuurkundigen hebben gewerkt om de werkelijk bizarre regels van de kwantummechanica te begrijpen, het lijkt erop dat sommige van deze symmetrieën niet altijd standhouden. Professor Andrew Jayich richt zich op het onderzoeken van deze symmetrieschendingen in een poging licht te werpen op nieuwe fysica. Hij en zijn lableden hebben zojuist een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven rapportage van voortgang bij het synthetiseren en detecteren van ionen die behoren tot de meest gevoelige maatregelen voor schendingen van de tijd (T) symmetrie.

Tijdsymmetrie houdt in dat de wetten van de fysica er hetzelfde uitzien als de tijd vooruit of achteruit loopt. "Bijvoorbeeld, het pad van een biljartbal op een tafel volgt eenvoudig zijn koers als de pijl van de tijd wordt omgekeerd, "Zei Jayich. Maar dat geldt niet voor alle fysieke interacties.

Begrijpen wanneer en waarom T-symmetrie uitvalt, zou antwoorden kunnen bieden op enkele van de grootste open vragen in de natuurkunde, zoals waarom het heelal vol materie is en geen antimaterie heeft. "De wetten van de fysica zoals wij die kennen behandelen materie en antimaterie op gelijke voet, "Jayich zei, "maar gebeurtenissen in de vroege momenten van het heelal gaven de voorkeur aan materie boven antimaterie." Dit zijn moeilijke problemen om te kraken, met bijna een eeuw werk achter de rug.

Om deze vragen te beantwoorden, Jayich en zijn team hebben gecontroleerd gesynthetiseerde, opgesloten en gekoelde radioactieve moleculen, RaOCH ³⁺ en RaOH ⁺ , die grote verbeteringen opleveren in de gevoeligheid voor T-symmetrieschending. Eerste auteur Mingyu Fan, een doctoraatsstudent in het lab van Jayich, ontdekte een techniek om donkere ionen in hun elektromagnetische val te detecteren. Deze deeltjes verstrooien geen licht, wat betekent dat de onderzoekers ze niet kunnen detecteren met een camera.

Tijdens het aanpassen van enkele van de experimentele parameters, Fan zag de gevangen ionen, die normaal heel stil zitten, oscilleerden snel met een grote maar vaste amplitude. Hij ontdekte dat dit gedrag een sterk signaal geeft voor het detecteren van deze ongrijpbare ionen. "Deze gecontroleerde versterking van de beweging stelt ons in staat om de bewegingsfrequentie van het ion te meten, en dus zijn massa precies en snel, ' zei Fan.

Jayich en Fan rapporteerden hun succes in het laserkoelen van radiumionen in een eerdere studie, die als eerste deze prestatie voor het zware element bereikte. De recente doorbraak van het lab brengt hen dichter bij hun uiteindelijke doel om radioactieve moleculen te gebruiken om schendingen van de tijdsymmetrie te testen.

De onderzoekers gebruikten radium-226, die 138 neutronen heeft en geen kernspin, in hun recente werk. Ze zijn van plan om de iets lichtere isotoop te gebruiken, radium-225, die de nodige kernspin heeft, in hun geplande experimenten met symmetrieschendingen. Andere leden van het laboratorium werken aan inspanningen om radium-225-ionen met laser af te koelen en op te sluiten en optische spectroscopie uit te voeren op de radioactieve moleculen die het bevatten.

"Deze resultaten zijn een duidelijke doorbraak voor onze geplande 'grote' experimenten, " zei Jayich. "We hebben deze ongelooflijk gevoelige detectoren gemaakt, waar een enkel molecuul de gevoeligheid heeft om nieuwe grenzen te stellen aan T-schending. Dit opent een nieuw paradigma voor het meten van T-schending."