一種新的核探測方法

現(xiàn)代宇宙學的一個主要難題是：為什么今天的宇宙中充滿了物質(zhì)，而反物質(zhì)幾乎消失不見？

科學家相信，在宇宙誕生伊始，應當產(chǎn)生了等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。然而現(xiàn)如今的可觀測宇宙，卻幾乎完全由物質(zhì)構成。這一觀測結果與理論預測截然矛盾，暗示存在尚未發(fā)現(xiàn)的基本對稱性破缺來源。一些物理學家認為，在某些特殊原子核中，或許就能觀察到這種破缺信號。

一般來說，探測原子核內(nèi)部所需的撞擊實驗依賴大型加速器裝置，這些設備的規(guī)模可達數(shù)公里，以此來將電子束加速到足以穿透原子核的高能狀態(tài)。

現(xiàn)在，在一項新發(fā)表于《科學》雜志的研究中，一個物理學家團隊提出了一種探測原子核內(nèi)部的全新方法：利用原子自身的電子作為分子中的“信使”，幫助揭示核內(nèi)部的奧秘。

對稱性破缺的天然放大器

對分子的精確實驗操控與探測，以及對其結構的精密理論計算，正不斷拓展核物理與粒子物理現(xiàn)象的研究途徑。其中，包含較重的放射性原子核（比如鐳）的分子，尤為引人關注。

與多數(shù)近似球形的原子核不同，鐳原子核的結構更不對稱，呈明顯“梨形”。理論預測，這種梨形的幾何形狀，使它成為對稱性破缺效應的天然“放大器”，使得極其微弱的效應變得有可能被觀測。

然而，對鐳原子核的內(nèi)部進行觀測是一項非常棘手的工作。因為鐳具有天然的放射性，壽命極短。不過，當把鐳原子置于分子中時，其電子所感受到的內(nèi)部電場，比在實驗室中能夠產(chǎn)生和施加的電場要大上幾個數(shù)量級。在某種意義上，這種分子就像一個巨大的粒子對撞機，使得鐳原子的原子核能夠更有效地被探測。

能量偏移：來自原子核

在新的研究中，研究人員精確測量了在單氟化鐳（RaF）分子中，環(huán)繞鐳原子的電子能量。

單氟化鐳分子中的鐳原子結構：中心為由質(zhì)子和中子組成的梨形原子核，外側環(huán)繞著電子云（黃色）。圖中帶箭頭的黃色小球代表一個電子，顯示其具有一定概率短暫進入原子核內(nèi)部。背景中為與鐳原子結合的氟原子，其原子核呈近似球形。它們連接在一起，形成了單氟化鐳。（圖/Courtesy of the researchers; edited by MIT News）

在實驗過程中，研究人員首先將鐳原子與氟原子結合，制備出單氟化鐳分子。他們發(fā)現(xiàn)，在這種分子中，鐳原子的電子受到分子內(nèi)部電場的約束、擠壓，從而更靠近原子核，提升了電子與鐳原子核相互作用并短暫穿透核內(nèi)部的幾率。

隨后，研究團隊將這些分子俘獲并冷卻，并將它們送入一套真空腔系統(tǒng)，與此同時向腔內(nèi)發(fā)射激光，使激光與分子相互作用。通過這種方式，研究人員得以精確測量鐳原子的電子在分子內(nèi)的能量。

當他們對測量的能量進行統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn)，電子的能量與“只在原子核外運動”時的理論預測略有差異。盡管這一能量偏移極其微小——僅相當于激發(fā)分子的激光光子能量的百萬分之一——卻是可靠的實驗信號！

這是因為，物理學界對于電子與原子核在核外的相互作用已經(jīng)進行過許多實驗測量，有了充分的了解。而這些知識無法解釋觀測到的偏差。因此研究人員推斷，這一能量偏移必然源于電子短暫進入鐳原子核內(nèi)部，與原子核內(nèi)部的質(zhì)子和中子發(fā)生了相互作用。當電子重新躍出原子核時，它們保留了這種能量偏移，仿佛攜帶著來自原子核內(nèi)部的“信息”。通過分析這一能量信號，研究人員便能夠感知原子核內(nèi)部的結構。

精確繪制原子核

這一新方法為測量原子核內(nèi)部的“磁分布”提供了全新途徑。在原子核中，每個質(zhì)子和中子都如一個微小的磁鐵，它們的排列方式取決于原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的分布方式。

因此，研究團隊計劃運用這項新技術，對鐳原子核內(nèi)部的磁分布進行精確繪制。在目前的實驗中，鐳原子核仍處于較高溫狀態(tài)，因此在分子中呈隨機取向。研究人員希望能夠進一步冷卻這些分子，并控制其梨形原子核的指向，使其朝向一致，從而精確繪制核內(nèi)部結構，并尋找基本對稱性破缺的跡象。

研究人員表示，含鐳分子被認為是探測自然界基本對稱性破缺的極高靈敏系統(tǒng)，而他們現(xiàn)在終于擁有開展這一探索的手段。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/new-molecule-based-method-physicists-peer-inside-atoms-nucleus-1023

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7717

#圖片來源：

封面圖&首圖：Courtesy of the researchers; edited by MIT News