“梨形”原子核中，隐藏着宇宙偏爱物质的秘密？

一种新的核探测方法

现代宇宙学的一个主要难题是：为什么今天的宇宙中充满了物质，而反物质几乎消失不见？

科学家相信，在宇宙诞生伊始，应当产生了等量的物质与反物质。然而现如今的可观测宇宙，却几乎完全由物质构成。这一观测结果与理论预测截然矛盾，暗示存在尚未发现的基本对称性破缺来源。一些物理学家认为，在某些特殊原子核中，或许就能观察到这种破缺信号。

一般来说，探测原子核内部所需的撞击实验依赖大型加速器装置，这些设备的规模可达数公里，以此来将电子束加速到足以穿透原子核的高能状态。

现在，在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个物理学家团队提出了一种探测原子核内部的全新方法：利用原子自身的电子作为分子中的“信使”，帮助揭示核内部的奥秘。

对称性破缺的天然放大器

对分子的精确实验操控与探测，以及对其结构的精密理论计算，正不断拓展核物理与粒子物理现象的研究途径。其中，包含较重的放射性原子核（比如镭）的分子，尤为引人关注。

与多数近似球形的原子核不同，镭原子核的结构更不对称，呈明显“梨形”。理论预测，这种梨形的几何形状，使它成为对称性破缺效应的天然“放大器”，使得极其微弱的效应变得有可能被观测。

然而，对镭原子核的内部进行观测是一项非常棘手的工作。因为镭具有天然的放射性，寿命极短。不过，当把镭原子置于分子中时，其电子所感受到的内部电场，比在实验室中能够产生和施加的电场要大上几个数量级。在某种意义上，这种分子就像一个巨大的粒子对撞机，使得镭原子的原子核能够更有效地被探测。

能量偏移：来自原子核

在新的研究中，研究人员精确测量了在单氟化镭（RaF）分子中，环绕镭原子的电子能量。

单氟化镭分子中的镭原子结构：中心为由质子和中子组成的梨形原子核，外侧环绕着电子云（黄色）。图中带箭头的黄色小球代表一个电子，显示其具有一定概率短暂进入原子核内部。背景中为与镭原子结合的氟原子，其原子核呈近似球形。它们连接在一起，形成了单氟化镭。（图/Courtesy of the researchers; edited by MIT News）

在实验过程中，研究人员首先将镭原子与氟原子结合，制备出单氟化镭分子。他们发现，在这种分子中，镭原子的电子受到分子内部电场的约束、挤压，从而更靠近原子核，提升了电子与镭原子核相互作用并短暂穿透核内部的几率。

随后，研究团队将这些分子俘获并冷却，并将它们送入一套真空腔系统，与此同时向腔内发射激光，使激光与分子相互作用。通过这种方式，研究人员得以精确测量镭原子的电子在分子内的能量。

当他们对测量的能量进行统计时发现，电子的能量与“只在原子核外运动”时的理论预测略有差异。尽管这一能量偏移极其微小——仅相当于激发分子的激光光子能量的百万分之一——却是可靠的实验信号！

这是因为，物理学界对于电子与原子核在核外的相互作用已经进行过许多实验测量，有了充分的了解。而这些知识无法解释观测到的偏差。因此研究人员推断，这一能量偏移必然源于电子短暂进入镭原子核内部，与原子核内部的质子和中子发生了相互作用。当电子重新跃出原子核时，它们保留了这种能量偏移，仿佛携带着来自原子核内部的“信息”。通过分析这一能量信号，研究人员便能够感知原子核内部的结构。

精确绘制原子核

这一新方法为测量原子核内部的“磁分布”提供了全新途径。在原子核中，每个质子和中子都如一个微小的磁铁，它们的排列方式取决于原子核内质子和中子的分布方式。

因此，研究团队计划运用这项新技术，对镭原子核内部的磁分布进行精确绘制。在目前的实验中，镭原子核仍处于较高温状态，因此在分子中呈随机取向。研究人员希望能够进一步冷却这些分子，并控制其梨形原子核的指向，使其朝向一致，从而精确绘制核内部结构，并寻找基本对称性破缺的迹象。

研究人员表示，含镭分子被认为是探测自然界基本对称性破缺的极高灵敏系统，而他们现在终于拥有开展这一探索的手段。

#参考来源：

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

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

#图片来源：

封面图&首图：Courtesy of the researchers; edited by MIT News