美实验室新招太绝！硬把分子变内鬼，偷拍镭核藏着的宇宙偏心了？

排行榜 2025年10月28日 06:33 5 cc

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美国麻省理工学院的科学家将分子转化为微型对撞机，得以窥见原子核内部，此项突破或将揭示宇宙存在的根本原因。

美国麻省理工学院的物理学家提出一种新方法，利用原子中的电子作为分子内部的“信使”，来研究原子核的内部结构。

该团队在10月23日发表于美国《科学》期刊的一项研究中，精确测量了镭原子电子的轨道能量——这些电子通过化学键与氟原子结合，形成氟化镭。他们利用分子环境模拟出微观的粒子对撞机，限制镭原子电子的运动，从而提高了电子短暂穿过原子核的概率。

传统的核内部研究依赖长达数公里的加速器，通过加速电子束撞击并击碎原子核。与此不同，这种以分子为中心的新方法，提供了一条在紧凑的桌面级设备上直接探测原子核内部的途径。

台式方法探测核内“信息”

研究人员通过镭单氟化物追踪了镭原子电子在分子内的运动能量。他们观察到微小的能量偏移，由此推断部分电子曾短暂进入原子核，并与内部物质发生了相互作用。当这些电子离开时，它们保留了能量上的变化，实质上携带了揭示原子核内部特征的“信息”。

**该方法为测量原子核内部的“磁分布”开辟了新途径。**在原子核中，每个质子和中子都像微型磁铁，其取向取决于粒子排列方式。研究团队计划首次运用此技术绘制镭元素的磁分布图，这一突破或能解答宇宙学的核心谜题：为何宇宙中物质远多于反物质。

“我们的成果为后续研究奠定了基础，这些研究旨在测量核层面的基本对称性破坏现象，”论文合著者罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯表示，“这可能为现代物理学最紧迫的问题提供答案。”

根据现有认知，早期宇宙中的物质与反物质应近乎等量存在。然而，当今可观测到的几乎所有事物，都是由原子核内的质子和中子构成的物质。

这一现象与标准模型的预期相悖，这表明需要一种额外的基本对称性破缺机制，来解释反物质的稀缺。此类效应可能存在于某些原子核内，镭元素便是典型代表。

与接近球形的大多数原子核不同，镭原子核呈现出不对称的梨形结构。理论学家预测，这种几何形态能显著放大对称性破缺的信号，使其具备可观测性。

“镭原子核被预测能放大这种对称性破缺效应，因为其核电荷与质量均呈不对称分布，这相当罕见，”加西亚·鲁伊斯指出。其研究团队专注于开发探测镭原子核基本对称性破缺迹象的方法。

通过窥探镭原子核内部来检验基本对称性，极具挑战性。

“镭具有天然放射性且寿命短暂，目前我们仅能微量制备氟化镭分子，”论文第一作者谢恩·威尔金斯指出，“因此需要极其精密的技术才能实现测量。”

研究团队发现，将镭原子嵌入分子结构，可有效约束并放大其电子的行为。

“当放射性原子置于分子内部时，其电子所受的内场强度，比实验室可施加的场强高出多个数量级，”研究合著者西尔维乌-马里安·乌德雷斯库解释道，“某种程度上，分子如同微型的巨型粒子对撞机，使我们更有机会探测镭的原子核。”

研究人员通过镭原子与氟化物原子的结合，制备出氟化镭单分子。在这种分子中，镭原子的电子受到有效挤压，从而显著提升其与镭原子核发生短暂碰撞的概率。

随后他们将分子捕获并冷却，引导其穿过真空腔室，并使用针对分子特性定制的激光进行照射。该装置实现了对单个分子内部电子能量的精确测量。

测量结果显示，电子能量与未进入原子核的预期值存在细微差异。尽管能量变化仅相当于激发分子所用激光光子的百万分之一，却为电子与镭原子核内质子及中子发生相互作用提供了明确证据。

“已有大量实验测量过原子核与核外电子的相互作用，我们清楚这些相互作用的形态，”威尔金斯解释道，“但当我们精确测量这些电子能量时，结果与假设电子仅在核外相互作用的预期不符。这表明差异必然源于电子在原子核内的相互作用。”

“我们现已获得核内采样的实证，”加西亚·鲁伊斯表示，“这如同测量电池内部的电场——外部电场可被轻易测得，但内部电场测量难度极高。而我们如今正能实现后者。”

团队计划将新方法应用于绘制原子核内部力的分布图。在此前的实验中，镭原子核在高温下以随机取向存在于分子内部。加西亚·鲁伊斯及其合作者希望通过冷却分子并控制梨形原子核的取向，从而精确绘制其内部结构，追寻基本对称性的破坏迹象。

“含镭分子被预测为探测自然基本对称性破缺的超敏感系统，”加西亚·鲁伊斯指出，“如今我们已掌握了实现这一探测的方法。”

桌面上的分子对撞机，最终指向了宇宙诞生之初的谜题。物质为何会“战胜”反物质，构成了我们所知的世界？这个问题的答案，或许就隐藏在那个微小、不对称的梨形原子核中。人类对“存在”的追问，也因此有了新的、可被观测的路径。

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