Un ion moléculaire inconnu est représenté dans un piège avec deux ions radium. La fluorescence des ions radium permet de mesurer la masse de l'ion mystère, l'identifiant comme RaOCH 3+ via la méthode introduite par Fan et ses collègues. Crédit photo : Max Ladabaum
Chaque domaine a ses principes sous-jacents. Pour l'économie, c'est l'acteur rationnel; la biologie a la théorie de l'évolution; la géologie moderne repose sur le socle de la tectonique des plaques.
La physique a des lois de conservation et des symétries. Par exemple, la loi de conservation de l'énergie - qui veut que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite - a guidé les recherches en physique depuis l'antiquité, de plus en plus formalisé au fil du temps. De même, la symétrie de parité suggère que la commutation d'un événement pour son image miroir ne devrait pas affecter le résultat.
Alors que les physiciens ont travaillé pour comprendre les règles vraiment bizarres de la mécanique quantique, il semble que certaines de ces symétries ne tiennent pas toujours. Le professeur Andrew Jayich se concentre sur l'étude de ces violations de symétrie dans le but de faire la lumière sur une nouvelle physique. Lui et les membres de son laboratoire viennent de publier un article dans Lettres d'examen physique rendre compte des progrès réalisés dans la synthèse et la détection des ions qui comptent parmi les mesures les plus sensibles pour les violations de la symétrie temporelle (T).
La symétrie temporelle implique que les lois de la physique se ressemblent lorsque le temps avance ou recule. "Par exemple, le trajet d'une boule de billard sur une table retrace simplement son parcours si la flèche du temps est inversée, " a déclaré Jayich. Mais cela ne vaut pas pour toutes les interactions physiques.
Comprendre quand et pourquoi la symétrie T s'effondre pourrait apporter des réponses à certaines des plus grandes questions ouvertes en physique, comme pourquoi l'Univers est plein de matière et manque d'antimatière. "Les lois de la physique telles que nous les connaissons traitent la matière et l'antimatière sur un pied d'égalité, " Jayich a dit, "Pourtant, les événements des premiers instants de l'Univers ont favorisé la matière par rapport à l'antimatière." Ce sont des problèmes difficiles à résoudre, avec près d'un siècle de travail derrière eux.
Pour répondre à ces questions, Jayich et son équipe ont synthétisé de manière contrôlable, molécules radioactives piégées et refroidies, RaOCH 3+ et RaOH + , qui fournissent de grandes améliorations de la sensibilité à la violation de la symétrie T. Premier auteur Mingyu Fan, un doctorant dans le laboratoire de Jayich, découvert une technique pour détecter les ions noirs dans leur piège électromagnétique. Ces particules ne diffusent pas la lumière, ce qui signifie que les chercheurs ne peuvent pas les détecter avec une caméra.
En ajustant certains des paramètres expérimentaux, Fan a remarqué les ions piégés, qui restent normalement très immobiles, oscillaient rapidement à une amplitude importante mais fixe. Il a compris que ce comportement fournit un signal fort pour détecter ces ions insaisissables. "Cette amplification contrôlée du mouvement nous permet de mesurer la fréquence de mouvement de l'ion, et donc sa masse précisément et rapidement, ", a déclaré Fan.
Jayich et Fan ont rapporté leur succès dans le refroidissement laser des ions radium dans une étude précédente, qui fut le premier à réaliser cet exploit pour l'élément lourd. La récente percée du laboratoire les rapproche de leur objectif ultime d'utiliser des molécules radioactives pour tester les violations de la symétrie temporelle.
Les chercheurs ont utilisé le radium-226, qui a 138 neutrons et aucun spin nucléaire, dans leurs récents travaux. Ils prévoient d'utiliser l'isotope légèrement plus léger, radium-225, qui a le spin nucléaire nécessaire, dans leurs expériences de violation de symétrie planifiées. D'autres membres du laboratoire travaillent sur des efforts pour refroidir et piéger au laser les ions radium-225 et effectuer une spectroscopie optique sur les molécules radioactives qui le contiennent.
"Ces résultats constituent une percée évidente pour nos "grandes" expériences prévues, " a déclaré Jayich. " Nous avons fabriqué ces détecteurs incroyablement sensibles, où une seule molécule a la sensibilité pour fixer de nouvelles limites à la violation de T. Cela ouvre un nouveau paradigme pour mesurer la violation T."
