在粒子物理学的探索前沿，科学家们一直致力于揭开原子核内部的奥秘。传统上，这一任务依赖于数公里长的巨型粒子对撞机，将加速到接近光速的粒子束碰撞以探索原子核结构。然而，MIT的一支研究团队近日在《科学》期刊上发表了一项突破性研究，提出了一种全新的方法——利用分子环境作为微观粒子对撞机，通过原子自身的电子作为"信使"来探测原子核内部结构。这一创新方法不仅为核物理学研究提供了桌面级的替代方案，更为理解宇宙起源和物质-反物质不对称性这一基本谜题开辟了新途径。
传统方法的局限与分子探针的突破
传统粒子对撞机虽然强大，但其规模庞大、成本高昂，且只能研究特定类型的原子核相互作用。MIT物理学家开发的新方法则巧妙地利用了分子内部的电场环境，创造出一种"天然"的粒子对撞机。研究团队通过测量镭单氟化分子(RaF)中电子的能量变化，成功探测到了电子与原子核内部物质的相互作用。
"当我们将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应用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，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原子核。"
镭原子核的独特性质
研究之所以选择镭作为研究对象，是因为其原子核具有独特的"梨形"结构，这与大多数原子核的球形结构形成鲜明对比。科学家预测，这种不对称的电荷和质量分布可能显著增强探测基本对称性违反的能力。
"镭原子核被认为是这种对称性破坏的放大器，因为它的电荷和质量分布是不对称的，这相当罕见，"研究合著者Ronald Fernando Garcia Ruiz教授表示。他的研究团队一直专注于开发探测镭原子核基本对称性违反迹象的方法。
实验设计与能量测量
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。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原子核的几率。
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。通过这种方式，研究人员能够精确测量每个分子内部电子的能量。
当汇总这些能量数据时，他们发现电子的能量与物理学家预期的如果它们不穿透原子核时的能量略有不同。虽然这种能量偏移很小——仅相当于激发分子的激光光子能量的百万分之一——但它明确证明了分子中的电子与镭原子核内部的质子和中子发生了相互作用。
"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，"研究第一作者Shane Wilkins解释道。"当我们非常精确地测量这些电子能量时，它们与预期的并不完全吻合，假设电子仅在原子核外相互作用。这告诉我们差异一定是由于电子在原子核内的相互作用造成的。"
核磁分布测量的意义
研究团队的新方法为测量原子核的"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，它们根据原子核中质子和中子的分布方式以不同方式排列。团队计划首次应用这种方法精确绘制镭原子核的这一性质。
"我们现在有证据表明我们可以对原子核内部进行采样，"Garcia Ruiz说。"这就像能够测量电池的电场。人们可以测量电池外部的电场，但测量电池内部则具有更大的挑战性。而我们现在可以做到这一点。"
宇宙学谜题的解答希望
这一研究可能为解答现代物理学中最紧迫的问题之一提供线索：为什么我们在宇宙中观察到的物质远多于反物质？
根据科学家目前最好的理解，宇宙最初形成时，物质和反物质的数量应该几乎相等。然而，科学家能够测量和观察到的宇宙绝大部分是由物质构成的，其基本组成部分是原子核中的质子和中子。这一观察与我们最好的自然理论——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违反来源来解释宇宙中反物质的几乎完全缺失。
这种对称性违反可能出现在某些原子核中，如镭原子核。研究团队计划进一步冷却分子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违反的迹象。
"含镭分子被预测为寻找自然界基本对称性违反的异常敏感系统，"Garcia Ruiz说。"我们现在有了一种方法来进行这种搜索。"
技术挑战与未来展望
尽管取得了突破性进展，研究团队仍面临诸多挑战。镭具有天然放射性，寿命短，目前我们只能少量生产镭单氟化物分子。
"镭具有天然放射性，寿命短，我们目前只能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。"
展望未来，研究团队计划将新技术应用于绘制原子核内部力的分布。他们目前的实验涉及在高温下随机取向的镭原子核。Garcia Ruiz及其合作者希望能够冷却这些分子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违反的迹象。
这一研究得到了美国能源部的部分支持，代表了核物理学和宇宙学研究领域的重要进展。通过这种创新的分子探针技术，科学家们有望在不依赖巨型粒子对撞机的情况下，深入探索原子核内部的奥秘，为理解宇宙的基本构成和演化提供新的视角。
