在物理学研究的漫长历史中，探索原子核内部结构一直是一项极具挑战性的任务。传统的粒子对撞机需要数公里长的设施，将加速到接近光速的粒子束碰撞以探测原子核内部。然而，麻省理工学院的研究团队最近在《科学》期刊上发表的研究成果，为这一领域带来了一场革命——他们开发出一种基于分子的新型探测方法，能够像使用显微镜一样观察原子核内部，而无需庞大的对撞机设施。
传统方法的局限与突破
传统上，科学家们通过建造巨大的粒子加速器来研究原子核内部结构。这些设施动辄数公里长，需要将粒子加速到接近光速的速度，然后让它们与原子核碰撞，从而探测核内部的结构和性质。这种方法虽然有效，但成本高昂、技术复杂，且对特定原子核的研究往往受到限制。
"通常，探测原子核内部的实验涉及长达数公里的设施，将电子束加速到足够高的速度，以与原子核碰撞并使其分裂,"研究合著者、麻省理工学院物理系助理教授Ronald Fernando Garcia Ruiz解释道。"我们团队的新分子基方法提供了一种桌面级替代方案，可以直接探测原子核内部。"
分子作为微型粒子对撞机
研究团队的创新之处在于他们将镭原子与氟原子配对，形成镭单氟化物分子，并利用分子环境作为微型粒子对撞机。在这个分子中，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几率。
"当你把这个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博士解释道。"从某种意义上说，分子就像一个巨大的粒子对撞机，为我们提供了更好的机会来探测镭的原子核。"
电子能量测量的突破性发现
研究团队首先创造了镭单氟化物分子，然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。
当他们汇总能量数据时，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。虽然这种能量变化很小——仅相当于激发分子所用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、麻省理工学院前博士后Shane Wilkins解释道。"当我们非常精确地测量这些电子能量时，结果与它们仅在原子核外相互作用的预期不完全吻合。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引起的。"
核磁分布测量的新方法
研究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个小磁铁，它们根据原子核质子和中子的分布方式以不同方式排列。团队计划首次应用他们的方法精确绘制镭原子核的这一属性。
"我们现在有证据表明可以采样原子核内部,"Garcia Ruiz说。"这就像能够测量电池的电场。人们可以在外部测量它的电场，但在电池内部测量则要困难得多。这就是我们现在能够做到的。"
解答宇宙物质-反物质不对称之谜
这一研究可能有助于解答现代物理学中最紧迫的问题之一：为什么我们在宇宙中观察到的物质远多于反物质？
根据科学家们最好的理解，宇宙刚形成时，物质和反物质的量应该几乎相等。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，人们认为需要额外的基本对称性破坏来源来解释宇宙中几乎完全缺乏反物质的现象。这种对称性破坏可能在镭等特定原子的原子核中被观察到。
与其他大多数呈球形的原子核不同，镭原子核具有更不对称的构型，类似于梨形。科学家预测，这种梨形形状可能会显著增强他们感知基本对称性破坏的能力，以至于这些效应可能是可观察到的。
"镭原子核被预测为这种对称性破坏的放大器，因为它的原子核在电荷和质量上是不对称的，这相当不寻常,"Garcia Ruiz说，他的团队一直专注于开发探测镭原子核基本对称性破坏迹象的方法。
技术挑战与未来展望
尽管取得了这一突破，但研究镭原子核以研究基本对称性破坏仍然是一项极其复杂的任务。
"镭具有天然放射性，寿命短，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。"
展望未来，研究团队计划应用新技术来绘制原子核内部力的分布。迄今为止，他们的实验涉及在高温下分子中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，从而能够精确绘制其内容并寻找基本对称性的破坏。
"含有镭的分子被预测为在自然界基本对称性破坏搜索中具有异常敏感性的系统,"Garcia Ruiz说。"我们现在有办法进行这种搜索。"
研究的意义与影响
这项研究不仅为原子核物理学提供了新的研究工具，还可能对我们理解宇宙的基本构成产生深远影响。通过在分子水平上探测原子核内部，科学家们有望发现新的物理现象，这些现象可能解释宇宙中物质-反物质不对称性等长期存在的谜题。
图：此图描绘了中心的镭原子核（质子和中子）呈梨形，周围环绕着电子云（黄色），以及一个有概率进入原子核的电子（带箭头的黄色球体）。背景是氟化物原子的球形原子核，它们结合形成镭单氟化物整体分子。
这项研究得到了美国能源部的部分支持，代表了物理学领域的一个重要里程碑。随着技术的不断发展和完善，这种基于分子的探测方法可能会在未来的核物理学和宇宙学研究中发挥越来越重要的作用，帮助我们更深入地理解宇宙的基本构成和演化规律。
