在粒子物理学领域，探索原子核内部结构一直是科学家们的终极目标之一。传统上，这需要建造数公里长的大型粒子对撞机，将加速到接近光速的粒子束相互碰撞，才能揭示原子核内部的奥秘。然而，麻省理工学院(MIT)的一组物理学家近日开发出一种革命性方法，利用分子中的电子作为'信使'，成功探测到原子核内部结构，为这一研究领域开辟了全新途径。
突破性研究：分子中的电子信使
这项突破性研究成果发表在《科学》杂志上，由MIT物理学家团队领导，他们通过精确测量镭单氟化物分子中电子的能量，首次直接证实了电子能够短暂穿透原子核并与其内部质子和中子相互作用。
"在分子环境中，电子的行为发生了显著变化，"研究合著者、MIT物理系助理教授罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯解释道。"通过将镭原子置于分子中，其电子所经历的内部电场比我们在实验室中能够产生的电场要强几个数量级。从某种意义上说，分子就像一个巨大的粒子对撞机，为我们提供了探测镭原子核内部结构的更好机会。"
技术原理：能量变化的秘密
研究团队首先将镭原子与氟原子配对，创建镭单氟化物分子。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。
图：图中展示了中心的镭原子核（由质子和中子组成，呈梨形结构），周围环绕着电子云（黄色），以及一个有概率进入原子核内部的电子（黄色球带箭头）。背景中是氟原子的球形原子核，两者结合形成镭单氟化物分子。
研究团队随后将这些分子捕获并冷却，通过一系列真空室系统，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。
"当我们精确测量这些电子能量时，发现它们与我们预期的电子仅在原子核外相互作用的情况不完全吻合，"研究第一作者、前MIT博士后谢恩·威尔金斯解释道。"这告诉我们，差异必定是由于电子在原子核内部的相互作用造成的。"
尽管这种能量变化很小——仅相当于用于激发分子的激光光子能量的百万分之一——但它提供了明确的证据，表明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。
宇宙之谜：物质与反物质的不对称
这项研究的深远意义在于它可能帮助我们解答现代物理学中最令人困惑的问题之一：为什么我们在宇宙中观测到的物质远多于反物质？
根据科学家目前最好的理解，宇宙刚诞生时，物质和反物质的量应该几乎相等。然而，我们能够测量和观测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内的质子和中子。
这一观测结果与我们目前对自然的最佳理论——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乏反物质的现象。这种对称性破缺可能在某些原子核（如镭）中被观测到。
与大多数呈球形的原子核不同，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，这种梨形结构可能会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，这相当罕见，"加西亚·鲁伊斯说道，他的研究小组一直专注于开发探测镭原子核基本对称性破缺迹象的方法。
技术优势：替代大型粒子对撞机
传统上，探测原子核内部需要建造庞大而昂贵的基础设施，如大型强子对撞机(LHC)等，这些设施长达数公里，需要将电子加速到足够高的速度才能与原子核碰撞并使其分裂。
相比之下，MIT团队开发的新方法提供了一种桌面级的替代方案，能够直接探测原子核内部。这种方法不仅成本更低，而且更加精确和灵活。
"现在我们有了证明可以探测原子核内部的证据，"加西亚·鲁伊斯说。"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，但要测量电池内部则要困难得多。而我们现在就能做到这一点。"
未来展望：精确绘制核内部结构
研究团队计划将这种新技术应用于绘制原子核内部力的分布。他们的实验迄今为止涉及的是在高温下随机取向的镭原子核。加西亚·鲁伊斯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，以便精确绘制其内部结构并搜寻基本对称性破缺的迹象。
"含有镭的分子被预测为寻找自然界基本对称性破缺异常敏感的系统，"加西亚·鲁伊斯说。"我们现在有了进行这种搜索的方法。"
这项研究部分由美国能源部支持，代表了核物理学研究的一个重要里程碑。通过这种创新的分子级方法，科学家们有望在更小、更经济的设备上实现过去需要巨型粒子对撞机才能达到的研究目标，为理解宇宙的基本构成和演化提供新的视角。
科学意义：重塑核物理学研究范式
这一突破不仅对基础科学研究具有重要意义，还可能对未来的技术应用产生深远影响。通过精确测量原子核内部的磁分布，科学家们能够更好地理解原子核的基本性质，这可能为核能、医学成像、材料科学等领域带来新的可能性。
此外，这种分子级探测方法也可能被应用于研究其他重原子核，扩展我们对物质基本结构的理解。随着技术的不断发展和完善，这种方法有望揭示更多关于原子核内部运作的奥秘，帮助我们回答一些关于宇宙本质的最基本问题。
在粒子物理学面临资金和规模挑战的今天，MIT团队的这一创新方法展示了科学研究的创造力，证明了有时最突破性的发现来自于对现有技术的重新思考和创新应用，而非仅仅是规模的扩大。这种方法不仅降低了研究门槛，还可能加速我们对宇宙基本规律的理解进程。
