MIT科学家找到窥探原子内部的新方法

在10月23日发表于《科学》杂志的研究中，团队精确测量了与氟原子化学键合形成氟化镭分子的镭原子周围电子的能量。他们将分子环境用作粒子对撞机的微观替代品，限制了镭原子的电子，并增加了部分电子短暂穿过原子核的可能性。传统研究原子核内部的实验依赖于千米级的加速器，而这种以分子为中心的新方法提供了一种紧凑的、桌面式的直接探测原子核内部的方式。

桌面式方法探测核'信息'
研究人员利用氟化镭分子，追踪镭原子电子在分子内运动时的能量。他们观察到能量有微小偏移，推断部分电子一定短暂进入了原子核并与内部物质发生了相互作用。当这些电子离开时，它们保留了能量变化，实际上携带了揭示原子核内部特征的核'信息'。该方法为测量核'磁分布'开辟了道路。在原子核内，每个质子和中子都像一个小磁铁，其取向取决于粒子的排列方式。团队计划首次用该技术绘制镭的这一特性，这可能有助于解开宇宙学核心谜题：为何宇宙中物质远多于反物质。

研究合著者、麻省理工学院物理学副教授罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯表示：'我们的结果为后续测量核水平基本对称性破缺的研究奠定了基础，这可能为现代物理学最紧迫的问题提供答案。'麻省理工学院的合著者包括沙恩·威尔金斯等，合作者来自多个机构，实验在瑞士欧洲核子研究中心的共线共振电离光谱实验（CRIS）进行。

物质-反物质不平衡与镭的作用
根据现有认知，早期宇宙应包含几乎等量的物质和反物质，但如今可探测到的几乎都是由原子核内质子和中子构成的物质。这与标准模型预期矛盾，表明需额外的基本对称性破缺来源解释反物质稀缺，这种效应可能存在于镭等原子的原子核中。与多数球形原子核不同，镭原子核呈不对称梨形，理论家预测这种形状能放大对称性破缺信号，使其可被观测。加西亚·鲁伊斯团队专注于开发探测镭核对称性破缺迹象的方法，他指出镭核因电荷和质量不对称，被预测为对称性破缺的'放大器'。

构建超灵敏分子实验
窥视镭核测试基本对称性极具挑战。研究主要作者、麻省理工学院前博士后沙恩·威尔金斯称：'镭天然放射性强、寿命短，目前只能少量生产氟化镭分子，因此需超灵敏技术测量。'团队发现将镭原子嵌入分子可限制并放大其电子行为，2024年博士西尔维乌-马里安·乌德雷斯库解释：'放射性原子在分子内时，电子所受内部电场比实验室产生的大几个数量级，分子就像微型粒子对撞机。'

能量偏移揭示电子-核相遇
研究人员将镭原子与氟原子结合生成氟化镭，分子内镭电子被挤压，增加了与核相互作用并短暂进入的机会。他们捕获冷却分子，引导其通过真空室，用特制激光照射以精确测量分子内电子能量。威尔金斯表示，已知核与核外电子相互作用的规律，但精确测量时发现能量与仅核外作用的预期不符，差异源于电子在核内的相互作用。加西亚·鲁伊斯称：'这证明我们能探测核内部，就像能测量电池内部电场一样，极具挑战性但已实现。'

下一步：绘制力分布与测试对称性
团队计划用新技术绘制核内力分布。目前实验中高温下镭核取向随机，他们希望冷却分子并控制梨形核的取向，以精确绘制其结构并寻找对称性破缺。加西亚·鲁伊斯说：'含镭分子是寻找自然界基本对称性破缺的超灵敏系统，我们现在有了实现这一搜索的方法。'该研究部分得到美国能源部支持。