“梨形”原子核中，隱藏著宇宙偏愛物質的秘密？

一種新的核探測方法

現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，而反物質幾乎消失不見？

科學家相信，在宇宙誕生伊始，應當產生了等量的物質與反物質。然而現如今的可觀測宇宙，卻幾乎完全由物質構成。這一觀測結果與理論預測截然矛盾，暗示存在尚未發現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，探測原子核內部所需的撞擊實驗依賴大型加速器裝置，這些設備的規?？蛇_數公里，以此來將電子束加速到足以穿透原子核的高能狀態。

現在，在一項新發表于《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部電場，比在實驗室中能夠產生和施加的電場要大上幾個數量級。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：中心為由質子和中子組成的梨形原子核，外側環繞著電子云（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。他們發現，在這種分子中，鐳原子的電子受到分子內部電場的約束、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，與此同時向腔內發射激光，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的能量。

當他們對測量的能量進行統計時發現，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部，與原子核內部的質子和中子發生了相互作用。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部的結構。

精確繪制原子核

這一新方法為測量原子核內部的“磁分布”提供了全新途徑。在原子核中，每個質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質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，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，而他們現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