在粒子物理学领域，探索原子核内部结构一直依赖于庞大而昂贵的粒子对撞机。然而，MIT物理学家近日开发出一种革命性的方法，利用分子环境作为微型粒子对撞机，成功实现了对原子核内部的直接探测。这一突破性研究成果发表在《科学》杂志上，为理解宇宙基本组成和物质与反物质不对称性等重大科学问题开辟了新途径。
传统方法与分子级显微镜的对比
传统的原子核探测方法需要建造数公里长的粒子对撞机，将电子加速到接近光速后与原子核碰撞，以研究其内部结构。这种方法不仅耗资巨大，而且实验过程复杂，需要大量资源和专业知识。
图：镭原子的梨形原子核（中心）由质子和中子组成，周围环绕着电子云（黄色）。一个电子（黄色球带箭头）有概率进入原子核内部。背景是氟化物的球形原子核，两者结合形成镭单氟化物分子。
相比之下，MIT研究团队开发的方法仅需要桌面大小的实验设备。他们通过创建镭单氟化物分子，利用分子内部强大的电场，使电子有机会短暂穿透原子核并与之相互作用，从而获取原子核内部信息。这种方法不仅成本更低，而且实验更加精确和可控。
实验原理与技术突破
研究团队首先将镭原子与氟原子配对，形成镭单氟化物分子。在这个过程中，镭原子的电子被有效地"挤压"，增加了它们与原子核相互作用并短暂穿透原子核的可能性。
"当你把这种放射性原子放入分子中时，其电子所经历的内部电场比我们在实验室中能够产生和施加的电场要大几个数量级，"研究合著者Silviu-Marian Udrescu解释道。"从某种意义上说，这个分子就像一个巨大的粒子对撞机，给了我们更好的机会来探测镭的原子核。"
研究团队随后捕获并冷却这些分子，将它们送入真空室系统，同时用激光与分子相互作用。通过这种方法，研究人员能够精确测量每个分子内部电子的能量。
当他们汇总这些能量数据时，发现电子的能量与物理学家预期的电子不穿透原子核时的能量略有不同。虽然这种能量位移很小——仅相当于激发分子的激光光子能量的百万分之一——但它提供了分子电子与镭原子核内质子和中子相互作用的明确证据。
"有许多实验测量原子核与原子核外电子之间的相互作用，我们知道这些相互作用是什么样子，"研究主要作者Shane Wilkins解释道。"当我们非常精确地测量这些电子能量时，它们与预期的电子仅在原子核外相互作用的计算结果不完全吻合。这告诉我们，差异一定是由于电子在原子核内部的相互作用造成的。"
科学意义与宇宙学应用
这一研究的科学意义远超技术突破本身。研究团队的方法为测量核"磁分布"提供了新途径。在原子核中，每个质子和中子都像一个小磁铁，它们根据原子核内质子和中子的分布方式以不同方式排列。
图：原子核内部结构示意图，展示了质子和中子的排列方式以及电子与原子核的相互作用。
研究计划首次应用这种方法精确绘制镭原子核的这一特性图谱。他们发现的结果可能有助于回答宇宙学中最大的谜题之一：为什么我们在宇宙中看到的物质远多于反物质？
根据科学家对宇宙起源的最佳理解，宇宙诞生时应该存在几乎等量的物质和反物质。然而，科学家能够测量和观察到的宇宙绝大部分是由物质组成的，其基本组成单位是原子核内的质子和中子。
这一观察与我们关于自然界的最佳理论——标准模型的预测形成鲜明对比，科学家认为需要额外的基本对称性破缺来源来解释宇宙中几乎完全缺失的反物质。这种对称性破缺可能存在于镭等特定原子的原子核中。
与大多数球形原子核不同，镭原子的原子核具有更不对称的结构，类似于梨形。科学家预测这种梨形结构可能显著增强他们感知基本对称性破缺的能力，甚至可能使其变得可观测。
"镭原子核被认为是这种对称性破缺的放大器，因为它的原子核在电荷和质量上都是不对称的，这相当不寻常，"Garcia Ruiz说道，他的团队一直专注于开发方法来探测镭原子核的基本对称性破缺迹象。
技术挑战与未来展望
尽管这一突破令人兴奋，但研究团队仍面临诸多技术挑战。镭具有天然放射性，寿命短，目前我们只能在极少量中生产镭单氟化物分子。
"镭是天然放射性的，寿命很短，我们目前只能以极少量生产镭单氟化物分子，"Wilkins说。"因此，我们需要极其敏感的技术来测量它们。"
研究团队计划进一步改进技术，将分子冷却并控制其梨形原子核的方向，以便精确绘制其内容并寻找基本对称性破缺。他们相信，镭分子是寻找自然界基本对称性破缺异常敏感的系统。
"我们现在有办法进行这种搜索，"Garcia Ruiz表示。
这一研究部分得到了美国能源部的支持。随着技术的不断进步，这种方法有望为核物理学和宇宙学研究带来更多突破，帮助我们更深入地理解宇宙的基本组成和演化规律。
行业影响与潜在应用
这一研究成果对多个科学领域可能产生深远影响。首先，它为核物理学研究提供了一种更为经济高效的替代方案，使更多研究机构能够参与原子核内部结构的研究。其次，这种方法可能为寻找基本对称性破缺提供新途径，有助于解决物质-反物质不对称性这一宇宙学难题。
此外，这一技术还可能在量子计算、核医学成像和材料科学等领域找到应用。通过更精确地控制原子核内部结构，科学家可能开发出新型量子比特或更精确的医学成像技术。
随着研究的深入，我们有理由期待这一分子级显微镜技术将为人类对微观世界的认知带来革命性变化，推动基础科学和应用科学的共同发展。
