黑暗的离子

每个领域都有自己的基本原则。对经济学来说，它是理性的行动者;生物学有进化论;现代地质学建立在板块构造论的基岩上。

物理学有守恒定律和对称性。例如，能量守恒定律——它认为能量既不能被创造也不能被毁灭——自古以来就指导着物理学的研究，随着时间的推移越来越形式化。同样，宇称对称表明，将一个事件转换成它的镜像不应该影响结果。

当物理学家努力理解量子力学的真正奇异的规则时，这些对称性似乎并不总是成立的。安德鲁·贾耶奇教授专注于研究这些对称性违反性，试图阐明新的物理学。他和他的实验室成员刚刚在《物理评论快报》上发表了一篇论文，报告了合成和检测离子的进展，这些离子是对时间(T)对称性破坏最敏感的措施之一。

时间对称意味着当时间向前或向后运行时，物理定律看起来是一样的。“例如，如果时间之箭倒转，桌球的轨迹就会回到它原来的轨迹，”Jayich说。但这并不适用于所有的物理相互作用。

理解什么时候和为什么不对称可以为物理学中一些最大的未决问题提供答案，比如为什么宇宙充满了物质而缺乏反物质。“正如我们所知，物理定律将物质和反物质同等对待，”Jayich说，“然而在宇宙早期的事件中，物质比反物质更受青睐。”“这些都是难以解决的问题，近一个世纪的工作已经完成。

为了解决这些问题，Jayich和他的团队可控地合成、捕获和冷却了放射性分子RaOCH3+和RaOH+，这大大提高了对T对称破坏的灵敏度。第一作者范明宇是贾耶奇实验室的博士生，他发现了一种探测电磁阱中暗离子的技术。这些粒子不会散射光线，这意味着研究人员无法用相机探测到它们。

在调整一些实验参数时，范注意到被捕获的离子，通常是静止不动的，正在以一个很大但固定的振幅快速振荡。他发现这种行为为探测这些难以捉摸的离子提供了强大的信号。“这种运动的可控放大使我们能够测量离子的运动频率，从而精确而快速地测量其质量，”范说。

Jayich和Fan在之前的研究中报告了他们在激光冷却镭离子方面的成功，这是第一次在重元素上实现这一壮举。该实验室最近的突破使他们接近了使用放射性分子来测试时间对称性破坏的最终目标。

研究人员在最近的工作中使用了镭-226，它有138个中子，没有核自旋。他们计划在他们计划的对称性破坏实验中使用稍轻的同位素——镭-225，它具有必要的核自旋。实验室的其他成员正在努力用激光冷却和捕获镭-225离子，并对含有它的放射性分子进行光谱学。

“这些结果对于我们计划中的‘大’实验来说是一个明显的突破，”Jayich说。“我们已经制造出了这些极其灵敏的探测器，其中一个单个分子就可以对t违规性设定新的限制。这为衡量t违规性开辟了新的范例。”