探索基本對稱性的新方法

2021-01-20 騰訊網

每個領域都有一些核心的基本原理。生物學有進化論，地質學有板塊構造學，而物理學則有守恆定律和對稱性。例如，我們熟悉的能量守恆定律告訴我們能量是守恆的——它既不能被創造也不能被毀滅；宇稱對稱告訴我們，真實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定律。

然而，如果物理定律是完美對稱的，那麼在宇宙大爆炸後應該產生了等量的物質和反物質。可是我們知道，可觀測宇宙的絕大多數都是由物質組成的，反物質只佔據了非常微小的一部分。這意味著在宇宙早期，某些未知的原因導致物質突然「佔了上風」，成為了宇宙中的主導物質。

物理學家一直在尋找究竟是什麼原因導致了物質和反物質的不平衡，但仍然沒有得到滿意的答案。他們進行了許多實驗來尋找答案，在這個過程中，也發現了一些基本的對稱性存在微妙的破缺。只是到目前為止，被物理學家觀測到的不對稱性不足以解釋宇宙中的這種物質和反物質之間的不平衡。

現在，兩個獨立的研究小組分別在最新的《物理評論快報》上發表論文，報告了他們所發展出的可用於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聖塔芭芭拉分校的研究人員，他們通過實驗，證明了使用一種基於雷射的方法，能創造並識別含有鐳同位素的分子；另一篇來自加州理工學院的研究人員，他們所做的是對這些含有鐳同位素的分子進行詳細的理論研究，證實了這些分子可以作為檢測基本對稱性的靈敏探針。

要產生現在我們觀測到的宇宙中的這種物質和反物質不對稱，其中一個必要條件便是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鏡像世界中，反粒子的行為應當和與之對應的粒子完全相同。

在此之前，物理學家已經在一些實驗中觀測到了一定程度的CP對稱性破缺；近來，有實驗還觀測到了中微子振蕩中存在的CP破壞（詳見《新證據：為什麼宇宙是由物質構成的？》）。但迄今為止，還沒有出現更強的能解釋宇宙中的物質和反物質不對稱性的CP破壞。因此，不同領域的物理學家正努力尋找能夠預測和檢驗CP破壞的新方法。

一些理論研究表明，含有一個或多個放射性核的分子，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生集體電偶極矩，進而使得原子和分子發生的電荷位移（席夫矩），這種位移能導致分子的能級發生可被測量的變化。

理論表明，這種效應與原子質量成正比，並且與原子核的形變有關。因此，如RaOH 、RaOCH 等含有原子序數為Z=88的鐳-225的分子，被認為是能夠靈敏地「感知」CP破壞的優秀候選。然而問題在於，鐳-225的壽命非常短，且只能少量產生，這為使用這些原子核進行實驗帶來了巨大挑戰。

在新發表的兩項研究中，加州大學聖塔芭芭拉分校的物理學家所發表的論文，描述了一種新的用於創造和識別放射性分子的方法。他們用動態的電場來捕獲通過雷射冷卻的離子Ra ，然後將其與甲醇蒸汽混合。在一系列化學反應之後，產生了帶電分子RaOH 或RaOCH ，一部分這些分子可以與雷射冷卻的Ra 離子一起形成一種被稱為庫倫晶體的有序結構。

對含有鐳同位素的分子的識別是非常具有挑戰性的，為此，研究人員發展了一種全光學的方法，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 離子的螢光會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，但離子的運動會引發光的強度隨時間出現變化。當離子的運動受到新產生的分子的質量影響，就可以從振蕩頻率的變化中推導出新分子的質量。| 圖片來源：Max Ladabaum / UCSB

在實驗中，研究人員沒有直接使用鐳-225，而是採用了相比之下壽命更長的鐳-226同位素進行實驗演示，這種原子中含有138個中子，沒有核自旋。他們用3秒鐘的時間測出了這些新產生的帶電分子的質量，誤差不到1/800。

加州理工學院的物理學家則對產生的這些RaOCH 分子進行了理論研究。他們假設分子中的鐳是鐳-225，通過理論計算得出了這種分子的電子結構，並將關注點放在了對CP破壞極度敏感的超精細狀態上。他們的計算結果證明了，RaOCH 在測量席夫矩方面具有獨特的優勢，即使在實驗過程中只有一個這樣的分子被捕獲，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可被測量的變化。

實驗和理論的結合為檢測基本對稱性這一物理學中重要的基本大問題帶來了令人欣喜的進展。接下來，研究人員希望更進一步地改進實驗方法，以便將含有用雷射冷卻的鐳-225的分子應用於實驗中。研究人員認為，新的研究成果提供了一種非常具有前景的實驗方法，這些分子是極其靈敏的探測器，它們不僅能夠被用於檢測對稱性破缺，還有可能靈敏地「感知」暗物質。

#創作團隊：

編譯：小雨

圖片：嶽嶽

#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：

Alexey_Hulsov / Pixabay

Max Ladabaum / UCSB

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