Stjärnor, galaxer, och allt i universum, inklusive våra egna kroppar, består av så kallad reguljär materia. Regelbunden materia inkluderar atomer och molekyler, som består av små partiklar, såsom elektroner, protoner, och neutroner. Dessa partiklar dominerar vårt universum, betydligt fler än deras mindre kända motsvarigheter:antimateriapartiklar. Upptäcktes först experimentellt 1932 av den avlidne nobelpristagaren och mångårige Caltech-professorn Carl Anderson, antimateria partiklar har motsatt laddning till sina materia motsvarigheter. Antimateriapartikeln till den negativt laddade elektronen, till exempel, är den positivt laddade positronen.

Hur kom det att materia överskuggade antimateria? Forskare tror att något hände tidigt i vårt kosmos historia för att vända balansen mellan partiklar och materia, vilket gör att antimateria i stort sett försvinner. Hur detta gick till är fortfarande ett mysterium.

I en ny studie i tidskriften Fysiska granskningsbrev , Nick Hutzler, biträdande professor i fysik vid Caltech, och hans doktorand Phelan Yu, föreslå ett nytt bordsbaserat verktyg för att söka efter svar på antimateriagåtan. Liksom andra fysiker som studerar problemet, forskarnas huvudidé är att leta efter asymmetrier i hur reguljär materia interagerar med elektromagnetiska fält. Detta är relaterat till en typ av symmetri som vanligtvis ses i partiklar som kallas laddningsparitet, eller CP. Eventuella avvikelser från den förväntade CP-symmetrin kan förklara hur materia slutligen tog ut antimateria i vårt universum.

Hutzler och hans kollegor utarbetade teoretiskt ett nytt sätt att undersöka dessa symmetriöverträdelser med hjälp av en radioaktiv molekyl som kallas en radiummonometoxidjon, eller RaOCH ₃ ⁺ . Deras partners vid UC Santa Barbara, ledd av Andrew Jayich, skapade sedan dessa molekyler för första gången och publicerade resultaten i en kompletterande artikel i Fysiska granskningsbrev .

De gemensamma studierna visar att radioaktiva molekyler har potential att vara ännu känsligare prober för fundamentala partikelsymmetrier än de icke-radioaktiva atomer som vanligtvis används idag.

"Den toppmoderna metoden för denna typ av studier använder atomer, " förklarar Hutzler. "Men molekyler kan vara ännu bättre sonder eftersom de har inbyggd asymmetri. De är knöliga och skeva till att börja med. Radiumkärnan är ännu klumpigare eftersom den har en mycket ojämn laddningsfördelning, och detta hjälper också. Resultatet är 100, 000 till 1, 000, 000 större förstärkning av symmetriöverträdelser, om någon är närvarande, jämfört med vad som varit aktuellt."

För att leta efter symmetriöverträdelser i partiklar, forskare observerar i allmänhet hur partiklar beter sig i elektriska fält. De söker efter onormala beteenden som bryter mot de kända symmetrireglerna; till exempel, fysiker har förutspått att symmetriöverträdelser kan få en elektron att precessera, eller vingla runt som en snurra, i ett elektriskt fält. Molekyler har elektromagnetiska fält inuti dem, på grund av deras asymmetriska natur, så de gör idealiska mål för den här typen av arbete.

Hutzler säger att han hade tänkt på att använda radiumbaserade molekyler för detta ändamål tidigare, kallar sig till och med en "radiumfanboy, " men förklarade att isotopen de behöver är extremt radioaktiv med en halveringstid på två veckor (hälften av en klump radium kommer att sönderfalla till andra kärnor på bara två veckor).

"Denna radiumisotop är mycket radioaktiv och väldigt knapp, vilket gör det svårt att arbeta med det, " förklarar Hutzler. "Men de unika egenskaperna hos RaOCH ₃ ⁺ molekyler övervinna många av dessa utmaningar, och, i kombination med den experimentella tekniken som demonstrerades vid UC Santa Barbara, kommer att möjliggöra moderna, kvant, mycket känsliga metoder för att söka efter dessa symmetriöverträdelser."

Den nya metoden för bordsskivor är ett komplement till andra tekniker som söker efter ledtrådar till antimateriamysteriet, inklusive relaterade experiment utförda i Hutzler-labbet samt neutronen Electric Dipole Moment, eller nEDM-experiment, som delvis byggs på Caltech av Brad Filippone, Francis L. Moseley professor i fysik, och hans team. Faktiskt, Hutzler arbetade med Filippone på detta experiment som student vid Caltech. nEDM-experimentet, som slutligen kommer att äga rum på Oak Ridge National Laboratory om cirka fem år, kommer att leta efter CP-symmetriöverträdelser specifikt i neutroner.

"Det här nya tillvägagångssättet är inte lika rent och direkt som nEDM, men genom att använda en hel molekyl, vi har fördelen av att kunna känna av symmetriöverträdelser i en rad partiklar, säger Hutzler.

Tillvägagångssättet med radioaktiva molekyler kan ta flera år att utvecklas fullt ut, men Hutzler säger att han har njutit av att fokusera på den teoretiska aspekten av arbetet.

"Vi har börjat pyssla mer i teorin delvis på grund av pandemin och att ha mer tid hemma, " säger han. "Vi hade förmodligen inte gjort det här teoriarbetet annars."

Studien, med titeln "Probing fundamental symmetries of deformed nuclei in symmetric top molecules, " finansierades av National Institute of Standards and Technology, Gordon och Betty Moore Foundation, och Alfred P. Sloan Foundation.