在粒子物理学领域，科学家们一直梦想着能够直接窥探原子核内部的奥秘。传统上，这需要建造数公里长的巨型粒子加速器，将电子加速到接近光速后与原子核碰撞。然而，麻省理工学院的研究团队近日开发出一种革命性方法，利用分子环境作为微型粒子碰撞器，成功实现了对原子核内部结构的直接探测，为研究宇宙基本构成提供了全新视角。
从巨型加速器到分子实验室
"我们创造了一种桌面级的替代方案，可以直接探测原子核内部，"研究合著者、麻省理工学院物理系助理教授Ronald Fernando Garcia Ruiz表示。"传统上，探测原子核内部需要数公里长的大型设施，将电子加速到足够高的速度来碰撞并分解原子核。而我们的新方法提供了一种基于分子的替代方案。"
这项研究成果发表在《科学》杂志上，详细描述了研究团队如何通过精确测量镭原子分子中电子的能量变化，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。
镭原子的特殊价值
研究团队选择镭原子作为研究对象并非偶然。与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，类似于梨的形状。科学家预测，这种梨形结构可能显著增强探测基本对称性破缺的能力，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，因为它的核电荷和质量分布不对称，这相当罕见，"Garcia Ruiz解释道，他的团队一直致力于开发探测镭原子核基本对称性破缺迹象的方法。
分子内的微型碰撞器
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的可能性。
"当你将这种放射性原子放入分子中时，其电子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好几个数量级，"研究合著者、麻省理工学院博士Silviu-Marian Udrescu解释道。"从某种意义上说，分子就像一个巨大的粒子碰撞器，给了我们更好的机会来探测镭原子核。"
精确测量能量变化
研究团队将分子捕获并冷却，然后将其送入真空室系统，同时将激光送入系统中，使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。
图：此图展示了中心的镭原子核（由质子和中子组成）的梨形结构，周围环绕着电子云（黄色），以及一个有可能进入原子核的电子（带箭头的黄色球体）。背景是氟原子的球形原子核，两者结合形成镭单氟化物分子。
当研究人员汇总能量数据时，他们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。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——但它提供了分子电子与镭原子核内部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外部电子之间的相互作用，我们知道这些相互作用是什么样的，"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，结果与假设它们仅在原子核外相互作用时的预期不完全吻合。这告诉我们差异一定是由于原子核内的电子相互作用造成的。"
宇宙学重大问题的钥匙
这项研究的重要性远超原子物理学范畴。科学家们认为，宇宙诞生时几乎存在等量的物质和反物质，然而，我们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。
这一观察与我们最好的自然理论——标准模型——的预测形成鲜明对比，因此需要额外的基本对称性破缺来源来解释宇宙中反物质的几乎完全缺失。这种对称性破缺可能出现在镭等特定原子的原子核中。
"我们的结果为后续旨在测量核水平基本对称性破缺的研究奠定了基础，"Garcia Ruiz说。"这可以为现代物理学中最紧迫的一些问题提供答案。"
技术挑战与突破
探测镭原子核内部以研究基本对称性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。"
研究团队通过将镭原子置于分子中，成功包含了并放大了其电子的行为。
"当我们测量这些电子能量时，发现它们有一个微小的能量变化，"Udrescu补充道。"这告诉我们电子必须短暂地穿透了原子核并与其内容物相互作用。当电子飞出时，它们保留了这种能量变化，提供了可以分析以感知原子核内部结构的'核信息'。"
未来研究方向
研究团队计划将新技术应用于精确绘制镭原子核内部力的分布。迄今为止，他们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取向，从而能够精确绘制其内容并寻找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的异常敏感系统，"Garcia Ruiz说。"我们现在有办法进行这种搜索。"
这项研究部分由美国能源部支持，代表了核物理学领域的重要突破。通过将复杂的原子核物理问题简化为分子尺度的实验，研究人员不仅降低了技术门槛，还提高了测量的灵敏度，为探索宇宙最基本构成提供了新工具。
科学意义与应用前景
这一突破性技术的意义不仅在于其科学价值，还在于其潜在应用。通过精确测量原子核内部的磁分布，科学家们可以更深入地理解基本粒子间的相互作用，这可能导致新型量子计算技术的发展或对核能利用的新理解。
"我们现在有证据证明可以采样原子核内部，"Garcia Ruiz比喻道。"这就像能够测量电池的电场。人们可以测量其外部电场，但测量电池内部要困难得多。而我们现在可以做到这一点。"
随着技术的进一步完善，研究团队有望能够更精确地控制分子中原子核的取向，从而获得更详细的核结构信息。这不仅有助于解决物质-反物质不对称性这一宇宙学难题，还可能揭示标准模型之外的新物理现象，推动粒子物理学进入新的探索阶段。
在可预见的未来，这种基于分子的探测方法可能会扩展到其他放射性元素，为核科学研究开辟更广阔的前景。随着技术的成熟，我们或许能够更接近解答宇宙起源和基本构成这些最根本的问题。
