每個(gè)領(lǐng)域都有一些核心的基本原理。生物學(xué)有進(jìn)化論，地質(zhì)學(xué)有板塊構(gòu)造學(xué)，而物理學(xué)則有守恒定律和對稱性。例如，我們熟悉的能量守恒定律告訴我們能量是守恒的——它既不能被創(chuàng)造也不能被毀滅；宇稱對稱告訴我們，真實(shí)世界中的物理過程與它們在鏡像世界中遵循相同的物理學(xué)定律。

　　然而，如果物理定律是完美對稱的，那么在宇宙大爆炸后應(yīng)該產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)?？墒俏覀冎?，可觀測宇宙的絕大多數(shù)都是由物質(zhì)組成的，反物質(zhì)只占據(jù)了非常微小的一部分。這意味著在宇宙早期，某些未知的原因?qū)е挛镔|(zhì)突然“占了上風(fēng)”，成為了宇宙中的主導(dǎo)物質(zhì)。

　　物理學(xué)家一直在尋找究竟是什么原因?qū)е铝宋镔|(zhì)和反物質(zhì)的不平衡，但仍然沒有得到滿意的答案。他們進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)來尋找答案，在這個(gè)過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些基本的對稱性存在微妙的破缺。只是到目前為止，被物理學(xué)家觀測到的不對稱性不足以解釋宇宙中的這種物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不平衡。

　　現(xiàn)在，兩個(gè)獨(dú)立的研究小組分別在最新的《物理評論快報(bào)》上發(fā)表論文，報(bào)告了他們所發(fā)展出的可用于檢測基本對稱性破缺的新方法。其中一篇論文來自加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員，他們通過實(shí)驗(yàn)，證明了使用一種基于激光的方法，能創(chuàng)造并識別含有鐳同位素的分子；另一篇來自加州理工學(xué)院的研究人員，他們所做的是對這些含有鐳同位素的分子進(jìn)行詳細(xì)的理論研究，證實(shí)了這些分子可以作為檢測基本對稱性的靈敏探針。

　　要產(chǎn)生現(xiàn)在我們觀測到的宇宙中的這種物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱，其中一個(gè)必要條件便是CP對稱性（C代表電荷共軛，P代表宇稱）的破缺。CP對稱性意味著在一個(gè)鏡像世界中，反粒子的行為應(yīng)當(dāng)和與之對應(yīng)的粒子完全相同。

　　在此之前，物理學(xué)家已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)中觀測到了一定程度的CP對稱性破缺；近來，有實(shí)驗(yàn)還觀測到了中微子振蕩中存在的CP破壞。但迄今為止，還沒有出現(xiàn)更強(qiáng)的能解釋宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱性的CP破壞。因此，不同領(lǐng)域的物理學(xué)家正努力尋找能夠預(yù)測和檢驗(yàn)CP破壞的新方法。

　　一些理論研究表明，含有一個(gè)或多個(gè)放射性核的分子，能夠靈敏的“感知”到對稱性破缺。CP破壞可以在這些分子的原子核中產(chǎn)生集體電偶極矩，進(jìn)而使得原子和分子發(fā)生的電荷位移（席夫矩），這種位移能導(dǎo)致分子的能級發(fā)生可被測量的變化。

　　理論表明，這種效應(yīng)與原子質(zhì)量成正比，并且與原子核的形變有關(guān)。因此，如RaOH?、RaOCH3?等含有原子序數(shù)為Z=88的鐳-225的分子，被認(rèn)為是能夠靈敏地“感知”CP破壞的優(yōu)秀候選。然而問題在于，鐳-225的壽命非常短，且只能少量產(chǎn)生，這為使用這些原子核進(jìn)行實(shí)驗(yàn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

　　在新發(fā)表的兩項(xiàng)研究中，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的物理學(xué)家所發(fā)表的論文，描述了一種新的用于創(chuàng)造和識別放射性分子的方法。他們用動(dòng)態(tài)的電場來捕獲通過激光冷卻的離子Ra?，然后將其與甲醇蒸汽混合。在一系列化學(xué)反應(yīng)之后，產(chǎn)生了帶電分子RaOH?或RaOCH3?，一部分這些分子可以與激光冷卻的Ra?離子一起形成一種被稱為庫倫晶體的有序結(jié)構(gòu)。

　　對含有鐳同位素的分子的識別是非常具有挑戰(zhàn)性的，為此，研究人員發(fā)展了一種全光學(xué)的方法，可以測量庫侖晶體在離子阱的平衡位置附近振蕩的頻率：來自Ra?離子的熒光會(huì)被放置在固定位置的探測器接收，這種光信號頻譜具有明確的波峰，但離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)引發(fā)光的強(qiáng)度隨時(shí)間出現(xiàn)變化。當(dāng)離子的運(yùn)動(dòng)受到新產(chǎn)生的分子的質(zhì)量影響，就可以從振蕩頻率的變化中推導(dǎo)出新分子的質(zhì)量。 

　　在實(shí)驗(yàn)中，研究人員沒有直接使用鐳-225，而是采用了相比之下壽命更長的鐳-226同位素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，這種原子中含有138個(gè)中子，沒有核自旋。他們用3秒鐘的時(shí)間測出了這些新產(chǎn)生的帶電分子的質(zhì)量，誤差不到1/800。

　　加州理工學(xué)院的物理學(xué)家則對產(chǎn)生的這些RaOCH3?分子進(jìn)行了理論研究。他們假設(shè)分子中的鐳是鐳-225，通過理論計(jì)算得出了這種分子的電子結(jié)構(gòu)，并將關(guān)注點(diǎn)放在了對CP破壞極度敏感的超精細(xì)狀態(tài)上。他們的計(jì)算結(jié)果證明了，RaOCH3?在測量席夫矩方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，即使在實(shí)驗(yàn)過程中只有一個(gè)這樣的分子被捕獲，它們對對稱性破缺的極端靈敏度也可能使分子能級上出現(xiàn)可被測量的變化。

實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)合為檢測基本對稱性這一物理學(xué)中重要的基本大問題帶來了令人欣喜的進(jìn)展。接下來，研究人員希望更進(jìn)一步地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，以便將含有用激光冷卻的鐳-225的分子應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中。研究人員認(rèn)為，新的研究成果提供了一種非常具有前景的實(shí)驗(yàn)方法，這些分子是極其靈敏的探測器，它們不僅能夠被用于檢測對稱性破缺，還有可能靈敏地“感知”暗物質(zhì)。

　#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

　　編譯：小雨

　　圖片：岳岳

　　#參考來源：

　　https：//physics.aps.org/articles/v14/3

　　https：//www.news.ucsb.edu/2021/020142/enlightening-dark-ions

　　https：//journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023003

　　https：//journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023002

　　#圖片素材來源：

　　封面圖：

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　　Max Ladabaum / UCSB