sterren, sterrenstelsels, en alles in het universum, inclusief ons eigen lichaam, bestaan ​​uit zogenaamde gewone materie. Reguliere materie omvat atomen en moleculen, die bestaan ​​uit kleine deeltjes, zoals elektronen, protonen, en neutronen. Deze deeltjes domineren ons universum, veel groter dan hun minder bekende tegenhangers:antimateriedeeltjes. Voor het eerst experimenteel ontdekt in 1932 door wijlen Nobelprijswinnaar en oude Caltech-professor Carl Anderson, antimateriedeeltjes hebben de tegenovergestelde lading van hun materie-tegenhangers. Het antimateriedeeltje naar het negatief geladen elektron, bijvoorbeeld, is het positief geladen positron.

Hoe kwam het dat materie antimaterie overschaduwde? Wetenschappers geloven dat er vroeg in de geschiedenis van onze kosmos iets is gebeurd waardoor de balans van deeltjes naar materie is veranderd. waardoor antimaterie grotendeels verdwijnt. Hoe dit heeft kunnen gebeuren is nog steeds een raadsel.

In een nieuwe studie in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , Nick Hutzler, assistent-professor natuurkunde bij Caltech, en zijn afgestudeerde student Phelan Yu, een nieuwe tabletop-gebaseerde tool voorstellen om te zoeken naar antwoorden op het antimaterie-raadsel. Net als andere natuurkundigen die het probleem bestuderen, Het hoofdidee van de onderzoekers is om te zoeken naar asymmetrieën in hoe gewone materie interageert met elektromagnetische velden. Dit houdt verband met een soort symmetrie die vaak wordt gezien in deeltjes die ladingspariteit wordt genoemd, of CP. Elke afwijking van de verwachte CP-symmetrie zou kunnen verklaren hoe materie uiteindelijk de antimaterie in ons universum heeft verdrongen.

Hutzler en zijn collega's hebben theoretisch een nieuwe manier bedacht om deze symmetrieschendingen te onderzoeken met behulp van een radioactief molecuul dat een radiummonomethoxide-ion wordt genoemd, of RaOCH ₃ ⁺ . Hun partners bij UC Santa Barbara, onder leiding van Andrew Jayich, creëerde vervolgens deze moleculen voor de eerste keer en publiceerde de resultaten in een begeleidend artikel in Fysieke beoordelingsbrieven .

De gezamenlijke studies tonen aan dat radioactieve moleculen het potentieel hebben om nog gevoeliger te zijn voor fundamentele deeltjessymmetrieën dan de niet-radioactieve atomen die tegenwoordig algemeen worden gebruikt.

"De state-of-the-art methode voor dit soort onderzoek maakt gebruik van atomen, ", legt Hutzler uit. "Maar moleculen kunnen nog betere sondes zijn omdat ze ingebakken asymmetrie hebben. Ze zijn klonterig en scheef om mee te beginnen. De radiumkern is nog klonterig omdat hij een zeer ongelijkmatige ladingsverdeling heeft, en dit helpt ook. Het resultaat is een 100, 000 tot 1, 000, 000 grotere versterking van symmetrieschendingen, indien aanwezig, vergeleken met de stand van de techniek."

Om te zoeken naar symmetrie-schendingen in deeltjes, onderzoekers observeren over het algemeen hoe deeltjes zich gedragen in elektrische velden. Ze zoeken naar abnormaal gedrag dat de bekende symmetrieregels overtreedt; bijvoorbeeld, natuurkundigen hebben voorspeld dat schendingen van de symmetrie ervoor kunnen zorgen dat een elektron precesseert, of wiebelen als een tol, in een elektrisch veld. Moleculen hebben elektromagnetische velden in zich, vanwege hun asymmetrische karakter, dus ze zijn ideale doelen voor dit soort werk.

Hutzler zegt dat hij er eerder over had nagedacht om op radium gebaseerde moleculen voor dit doel te gebruiken, noemt zichzelf zelfs een "radium-fanboy, " maar legde uit dat de isotoop die ze nodig hebben extreem radioactief is met een halfwaardetijd van twee weken (de helft van een klomp radium vervalt in slechts twee weken in andere kernen).

"Deze radiumisotoop is zeer radioactief en zeer schaars, wat het moeilijk maakt om ermee te werken, " legt Hutzler uit. "Maar de unieke eigenschappen van de RaOCH ₃ ⁺ molecuul overwinnen veel van deze uitdagingen, en, in combinatie met de experimentele techniek gedemonstreerd op UC Santa Barbara, zal moderne, quantum, zeer gevoelige methoden om naar deze symmetrieschendingen te zoeken."

De nieuwe tafelbladmethode is complementair aan andere technieken die zoeken naar aanwijzingen voor het antimateriemysterie, inclusief gerelateerde experimenten uitgevoerd in het Hutzler-lab en het neutron Electric Dipole Moment, of nEDM-experiment, die gedeeltelijk bij Caltech wordt gebouwd door Brad Filippone, de Francis L. Moseley hoogleraar natuurkunde, en zijn team. In feite, Hutzler werkte samen met Filippone aan dit experiment als student aan Caltech. Het nEDM-experiment, die uiteindelijk over ongeveer vijf jaar zal plaatsvinden in het Oak Ridge National Laboratory, zal specifiek in neutronen op zoek gaan naar schendingen van de CP-symmetrie.

"Deze nieuwe aanpak is niet zo schoon en direct als nEDM, maar door een heel molecuul te gebruiken, we hebben het voordeel dat we symmetrieschendingen kunnen detecteren in een reeks deeltjes, ", zegt Hutzler.

Het kan nog jaren duren voordat de benadering met radioactieve moleculen volledig is ontwikkeld, maar Hutzler zegt dat hij het leuk vond om zich op het theoretische aspect van het werk te concentreren.

"We zijn meer in theorie gaan ploeteren, deels door de pandemie en omdat we meer tijd thuis hebben, "zegt hij. "Anders zouden we dit theoriewerk waarschijnlijk niet hebben gedaan."

De studie, getiteld "Het onderzoeken van fundamentele symmetrieën van vervormde kernen in symmetrische topmoleculen, " werd gefinancierd door het National Institute of Standards and Technology, de Gordon en Betty Moore Stichting, en de Alfred P. Sloan Stichting.