利用一种新的基于分子的方法，物理学家可以观察原子核内部

这幅图描绘了镭原子的梨形原子核，其中心由质子和中子组成，周围环绕着一团电子（黄色），以及一个可能位于原子核内部的电子（带箭头的黄色球）。背景是氟原子的球形原子核，它们结合在一起形成了完整的一氟化镭分子。

麻省理工学院的物理学家开发出一种探测原子核内部的新方法，利用原子自身的电子作为分子内的“信使”。

在今天发表于《科学》杂志的一项研究中，物理学家精确测量了围绕一个镭原子旋转的电子的能量。该镭原子与一个氟原子配对，形成了一个氟化镭分子。他们将分子内部的环境用作一种微观粒子对撞机，容纳镭原子的电子，并促使它们短暂地穿透原子核。

通常，探测原子核内部结构的实验需要庞大的、绵延数公里的装置，这些装置将电子束加速到足以与原子核碰撞并将其击碎的速度。而该团队研发的这种基于分子的新方法，提供了一种桌面式的替代方案，可以直接探测原子核内部结构。

在一氟化镭分子中，研究小组测量了镭原子电子在分子内部运动时的能量。他们观察到了轻微的能量偏移，并确定电子一定短暂地穿透了镭原子核并与其内部物质发生了相互作用。当电子飞出时，它们保留了这种能量偏移，从而提供了一种核“信息”，可以通过分析来感知原子核的内部结构。

该团队的方法提供了一种测量原子核“磁分布”的新途径。在原子核中，每个质子和中子都像一块小磁铁，它们的排列方式取决于原子核中质子和中子的分布情况。该团队计划首次运用这种方法精确绘制镭原子核的这一特性。他们的发现或许有助于解答宇宙学中最大的谜题之一：为什么宇宙中物质远多于反物质？

“我们的研究成果为后续旨在测量核层面基本对称性破坏的研究奠定了基础，”该研究的共同作者、麻省理工学院托马斯·A·弗兰克物理学副教授罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯说。“这或许能为现代物理学中一些最紧迫的问题提供答案。”

该研究的麻省理工学院合作者包括 Shane Wilkins、Silviu-Marian Udrescu 和 Alex Brinson，以及来自多个机构的合作者，包括位于瑞士 CERN 的共线共振电离光谱实验 (CRIS)，实验就是在那里进行的。

分子陷阱

根据科学家的最佳理解，宇宙诞生之初，物质和反物质的数量必定几乎相等。然而，科学家在宇宙中能够测量和观察到的绝大多数物质都是由物质构成的，而物质的构成要素是原子核内的质子和中子。

这一观测结果与我们最优秀的自然理论——标准模型——的预测截然相反。人们认为，需要额外的基本对称性破坏才能解释宇宙中几乎完全不存在反物质。这种破坏可以在某些原子（例如镭）的原子核中观察到。

与大多数球形原子核不同，镭原子核的形状更不对称，类似梨形。科学家预测，这种梨形结构可以显著增强镭原子核感知基本对称性破坏的能力，甚至可能使其可以被观测到。

“镭核预计会放大这种对称性破缺，因为它的原子核在电荷和质量上是不对称的，这非常不寻常，”加西亚·鲁伊斯说道，他的团队一直致力于开发探测镭核是否存在基本对称性破坏迹象的方法。

窥探镭原子核内部以研究其基本对称性是一项极其棘手的任务。

“镭是天然放射性物质，半衰期很短，而且我们目前只能少量生产氟化镭分子，”该研究的主要作者、麻省理工学院前博士后研究员肖恩·威尔金斯说。“因此，我们需要极其灵敏的技术才能测量它们。”

研究小组意识到，通过将镭原子放入分子中，他们可以控制和放大其电子的行为。

“当你把这个放射性原子放入一个分子内部时，其电子所经历的内部电场比我们在实验室中产生和应用的电场要大几个数量级，”该研究的共同作者、博士生Silviu-Marian Udrescu解释说。“在某种程度上，这个分子就像一个巨大的粒子对撞机，让我们有更好的机会探测镭的原子核。”

窗体底端

能源转变

在这项新研究中，研究小组首先将镭原子与氟原子配对，形成了一氟化镭分子。他们发现，在这种分子中，镭原子的电子被有效挤压，增加了电子与镭原子核相互作用并短暂穿透的机会。

研究团队随后捕获并冷却这些分子，然后将它们送入真空室系统，同时向其中发射激光，激光与分子相互作用。通过这种方式，研究人员能够精确测量每个分子内部电子的能量。

当他们统计能量时，发现电子的能量与物理学家预期的未穿透原子核时的能量略有不同。尽管这种能量变化很小——仅为激发分子所用激光光子能量的百万分之一——但它明确地证明了分子中的电子与镭原子核内的质子和中子发生了相互作用。

“有很多实验测量原子核与原子核外电子之间的相互作用，我们也知道这些相互作用是什么样的，”威尔金斯解释说。“当我们非常精确地测量这些电子能量时，结果与我们假设的只在原子核外相互作用的预期并不完全一致。这告诉我们，差异必定是由于原子核内部的电子相互作用造成的。”

“我们现在已经证明，我们可以对原子核内部进行取样，”加西亚·鲁伊斯说。“这就像能够测量电池的电场一样。人们可以测量电池外部的电场，但测量电池内部的电场则要困难得多。而这正是我们现在能够做到的。”

展望未来，该团队计划应用这项新技术来绘制原子核内部力的分布。迄今为止，他们的实验涉及高温下每个分子内部处于随机取向的镭原子核。Garcia Ruiz 和他的合作者希望能够冷却这些分子，并控制其梨形原子核的取向，以便精确地绘制其内容并寻找基本对称性的破坏。

“含镭分子被预测为极其敏感的系统，可以用来寻找自然界基本对称性的违反，”加西亚·鲁伊斯说。“我们现在有办法进行这项搜索了。”

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