每個科學領域都有其基本原則。對於物理學有守恆定律和對稱性。例如，自古以來，能量既不能產生也不能破壞的能量守恆定律，在物理學上一直具有指導意義。同樣地，宇稱對稱性表明，為其鏡像切換事件不應影響結果。
當物理學家努力理解量子力學的真正奇異規則時，似乎其中某些對稱性並不總是成立。加利福尼亞大學安德魯·傑伊奇（Andrew Jayich）教授致力於研究這些對稱性違規問題，以期闡明新的物理學。他的實驗室研究剛剛在《物理評論快報》上發表了一篇論文，報告了合成和檢測離子的進展，這些離子是違反時間對稱性最敏感的措施之一。
時間對稱性意味著時間向前或向後運行時，物理定律看起來是相同的。傑伊奇說：「例如，如果時間箭頭倒轉，撞球在桌上的運動路線將簡單地追溯其路線。」但這並不適用於所有物理交互。
了解何時以及為什麼時間對稱性破裂會為物理學中一些最大的開放性問題提供答案，例如為什麼宇宙充滿了物質而缺乏反物質。傑伊奇說：「我們所知的物理學定律在平等的基礎上對待物質和反物質。然而，宇宙成立之初的事件卻比反物質更有利於物質。」這些都是棘手的難題，需要將近一個世紀的工作。
為了解決這些問題，研究團隊已經可控制地合成、捕獲和冷卻了放射性分子RaOCH3 +和RaOH +，這些化合物大大改善了對違反時間對稱性違規的敏感性。該研究發現了一種檢測電磁陷阱中暗離子的技術。這些粒子不會散射光，這意味著研究人員無法使用相機對其進行檢測。
如圖所示在一個帶有兩個鐳離子的阱中描繪了一個未知的分子離子。鐳離子的螢光可以測量神秘離子的質量，通過範和他的同事們介紹的方法將其鑑定為RaOCH3 +。
在調整一些實驗參數時，研究人員發現了通常被靜置的被捕獲離子以大而固定的幅度快速振蕩，發現這種行為為檢測這些難捉摸的離子提供了強有力的信號。「運動的這種受控放大使我們能夠精確而快速地測量離子的運動頻率，從而測量其質量。」
傑伊奇表示：「這些結果對於我們計劃的「大」實驗而言是一個明顯的突破。」 「我們製造了這些靈敏度極高的檢測器，其中單個分子具有為違反時間對稱性設定新限制的靈敏度。這為測量違反時間對稱性開闢了新的範例。」
參考：Optical Mass Spectrometry of Cold RaOH+and RaOCH3+. Phys. Rev. Lett. 126, 023002 – Published 11 January 2021