“梨形”原子核中，隱藏著宇宙偏愛物質(zhì)的秘密？

一種新的核探測(cè)方法

現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)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(xué)家相信，在宇宙誕生伊始，應(yīng)當(dāng)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(cè)宇宙，卻幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成。這一觀測(cè)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)截然矛盾，暗示存在尚未發(fā)現(xiàn)的基本對(duì)稱性破缺來源。一些物理學(xué)家認(rèn)為，在某些特殊原子核中，或許就能觀察到這種破缺信號(hào)。

一般來說，探測(cè)原子核內(nèi)部所需的撞擊實(shí)驗(yàn)依賴大型加速器裝置，這些設(shè)備的規(guī)?？蛇_(dá)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(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究中，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了一種探測(cè)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(duì)稱性破缺的天然放大器

對(duì)分子的精確實(shí)驗(yàn)操控與探測(cè)，以及對(duì)其結(jié)構(gòu)的精密理論計(jì)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(guān)注。

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

然而，對(duì)鐳原子核的內(nèi)部進(jìn)行觀測(cè)是一項(xiàng)非常棘手的工作。因?yàn)殍D具有天然的放射性，壽命極短。不過，當(dāng)把鐳原子置于分子中時(shí)，其電子所感受到的內(nèi)部電場(chǎng)，比在實(shí)驗(yàn)室中能夠產(chǎn)生和施加的電場(chǎng)要大上幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在某種意義上，這種分子就像一個(gè)巨大的粒子對(duì)撞機(jī)，使得鐳原子的原子核能夠更有效地被探測(cè)。

能量偏移：來自原子核

在新的研究中，研究人員精確測(cè)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(jié)構(gòu)：中心為由質(zhì)子和中子組成的梨形原子核，外側(cè)環(huán)繞著電子云（黃色）。圖中帶箭頭的黃色小球代表一個(gè)電子，顯示其具有一定概率短暫進(jìn)入原子核內(nèi)部。背景中為與鐳原子結(jié)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(shí)驗(yàn)過程中，研究人員首先將鐳原子與氟原子結(jié)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(chǎng)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(cè)量鐳原子的電子在分子內(nèi)的能量。

當(dāng)他們對(duì)測(cè)量的能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，電子的能量與“只在原子核外運(yùn)動(dòng)”時(shí)的理論預(yù)測(cè)略有差異。盡管這一能量偏移極其微小——僅相當(dāng)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(shí)驗(yàn)信號(hào)！

這是因?yàn)?，物理學(xué)界對(duì)于電子與原子核在核外的相互作用已經(jīng)進(jìn)行過許多實(shí)驗(yàn)測(cè)量，有了充分的了解。而這些知識(shí)無法解釋觀測(cè)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(jìn)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(dāng)電子重新躍出原子核時(shí)，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(hào)，研究人員便能夠感知原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

精確繪制原子核

這一新方法為測(cè)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(gè)質(zhì)子和中子都如一個(gè)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃運(yùn)用這項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)鐳原子核內(nèi)部的磁分布進(jìn)行精確繪制。在目前的實(shí)驗(yàn)中，鐳原子核仍處于較高溫狀態(tài)，因此在分子中呈隨機(jī)取向。研究人員希望能夠進(jìn)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(jié)構(gòu)，并尋找基本對(duì)稱性破缺的跡象。

研究人員表示，含鐳分子被認(rèn)為是探測(cè)自然界基本對(duì)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