麻省理工学院的物理学家们开创出一种突破性方法，无需借助大型粒子对撞机，便可探索原子内部隐藏的奥秘。
他们将镭原子与氟化物结合，形成一氟化镭分子，利用原子自身的电子作为探针，短暂进入原子核，带回关于其结构的微妙“信息”。
以电子探查原子核
在发表于《科学》杂志的研究中，麻省理工学院的一个物理学家团队对与氟化物原子化学结合形成一氟化镭的镭原子周围电子的能量进行了极为精确的测量。通过研究这些分子，研究人员打造出了一种微型粒子对撞机。在此环境下，镭原子周围的电子被束缚得足够紧密，以至于偶尔会滑入原子核，随后再回到它们原本的轨道。
传统上，探索原子核内部结构需借助长达数公里的巨型粒子加速器，以极高速度推动电子束轰击原子核。相较之下，这项基于分子的新技术提供了一种紧凑的桌面替代方案，让科学家能够更便捷地探究原子核内部奥秘。
原子信使——电子
研究团队在氟化镭分子内部，精准追踪了电子在原子结构中移动时的能级变化。他们发现了一种细微却意义重大的能量偏移现象，这表明部分电子曾短暂进入镭原子核内部，并与其中的质子和中子发生相互作用。当这些电子重返外层轨道时，仍保留着改变后的能量状态，仿佛携带着来自原子核内部的“信息”，通过解读这些信息，便可揭示原子核的内部结构排列。
这一方法为绘制物理学家所称的核“磁分布”图提供了新途径。每个质子和中子都宛如一枚微小磁针，其排列方式取决于它们在原子核内的排布。目前，研究人员正计划运用该方法，首次绘制出镭原子核内这一磁模式的详细图谱。他们的发现或将揭示宇宙学中最深奥的谜团之一：为何宇宙中的物质远多于反物质。
基本对称性与宇宙之谜
“我们的研究结果为后续旨在测量核层面基本对称性被破坏情况的研究奠定了基础，”该研究的共同作者、麻省理工学院托马斯·A·弗兰克物理学副教授罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯表示，“这或许能为现代物理学中一些最为紧迫的问题提供答案。”
麻省理工学院团队成员还包括沙恩·威尔金斯（Shane Wilkins）、西尔维乌-马里安·乌德雷斯库（Silviu-Marian Udrescu）和亚历克斯·布林森（Alex Brinson），以及来自多家机构的合作者，其中包括位于瑞士欧洲核子研究中心（CERN）的共线共振电离光谱实验（CRIS）团队，相关实验正是在那里开展的。
为何宇宙由物质构成？
据科学家们的最佳认知，宇宙初现之际，物质与反物质的量应近乎相等。然而，科学家在宇宙中能够测量和观测到的绝大多数物质均由普通物质构成，其基本构成单元为原子核内的质子和中子。
这一观测结果与我们目前最完备的自然理论——标准模型所预测的情况截然不同。人们认为，要解释宇宙中几乎不存在反物质这一现象，需要存在其他根本性对称性破缺的来源。在镭等特定原子的原子核内，或许就能发现此类破缺现象。
与大多数呈球形的原子核不同，镭原子的原子核呈现出更为不对称的构型，形似梨子。科学家预测，这种梨形结构或许能大幅提升其感知基本对称性被破坏现象的能力，甚至有望达到可观测的程度。
增强对称性破缺
加西亚·鲁伊斯（Garcia Ruiz）表示：“镭原子核预计会成为这种对称性破缺的放大器，因为其原子核在电荷和质量上具有不对称性，这相当罕见。”他的研究团队一直致力于开发探测镭原子核的方法，以寻找基本对称性破缺的迹象。
窥探镭原子核内部以探究基本对称性，是一项极具挑战性的工作。
“镭天然具有放射性，且寿命短暂，目前我们仅能生产出极少量的一氟化镭分子，”该研究的主要作者、麻省理工学院前博士后研究员谢恩·威尔金斯说道，“因此，我们需要极其灵敏的技术来测量它们。”
研究小组意识到，将镭原子置于分子中，就可以控制并放大其电子的行为特性。
“当你将这种放射性原子置于分子内部时，其电子所感受到的内电场强度，与我们能在实验室中生成并应用的电场相比，要高出几个数量级，”该研究的合著者、2024年博士毕业的西尔维乌-马里安·乌德雷斯库（Silviu-Marian Udrescu）解释道，“从某种意义上说，分子就像一个巨型粒子对撞机，让我们有更好的机会去探测镭的原子核。”
测量难以捉摸的能量转变
在他们的最新研究中，研究团队首先将镭原子与氟原子配对，合成了氟化镭分子。他们发现，在这种分子中，镭原子的电子受到有效挤压，从而增加了电子与镭原子核相互作用并短暂穿透其核的几率。
随后，研究团队捕获并冷却了这些分子，让它们通过一套真空室系统，同时向其中发射激光，使激光与分子发生相互作用。通过这种方式，研究人员得以精确测量每个分子内部电子的能量。
探测隐藏的核相互作用
研究人员分析测量数据时发现，若电子始终停留在原子核外，其携带能量应与实际测量值存在细微差异。这种能量差异极其微小，仅相当于激发分子所用激光光子能量的百万分之一，却有力证明了电子确实进入了镭原子核内部，并与其中的质子和中子发生了相互作用。
威尔金斯解释道：“已有诸多实验对原子核与核外电子间的相互作用进行了测定，我们也知晓这些相互作用的具体情形。然而，当我们极为精准地测量这些电子能量时，若假定它们仅在核外发生相互作用，所得结果与我们预期并不相符。这便表明，差异必然源自原子核内部的电子相互作用。”
原子核心一瞥
“我们现在有证据表明，我们能够在原子核内部进行采样，”加西亚·鲁伊斯（Garcia Ruiz）说道，“这就好比能够测量电池的电场。人们可以在电池外部测量其电场，但要在电池内部进行测量则极具挑战性。而这正是我们如今能够做到的。”
研究人员计划利用这项新技术绘制一幅详尽图谱，以呈现原子核内部作用力的分布状况。迄今为止，他们的实验已对高温下分子内随机取向的镭原子核进行了研究。下一步，他们将对分子进行冷却，并调控其梨形原子核的排列方向。如此一来，研究团队便能更精确地绘制原子核图谱，并探寻自然界中可能存在的基本对称性破缺现象。
探寻自然的对称奥秘
加西亚·鲁伊斯表示：“含镭分子预计将成为搜寻自然基本对称性破缺现象的极为灵敏的系统。如今，我们已找到开展这项搜寻工作的方法。”
参考文献：S. G. 威尔金斯（S. G. Wilkins）、S. M. 乌德雷斯库（S. M. Udrescu）、M. 阿萨纳萨基斯-卡克拉马纳基斯（M. Athanasakis-Kaklamanakis）、R. F. 加西亚·鲁伊斯（R. F. Garcia Ruiz）、M. 奥（M. Au）、I. 贝洛舍维奇（I. Belošević）、R. 贝尔热（R. Berger）、M. L. 比塞尔（M. L. Bissell）、A. A. 布雷耶（A. A. Breier）、A. J. 布林森（A. J. Brinson）、K. 克里斯萨利迪斯（K. Chrysalidis）、T. E. 科科利奥斯（T. E. Cocolios）、R. P. 德格鲁特（R. P. de Groote）、A. 多恩（A. Dorne）、K. T. 弗拉纳根（K. T. Flanagan）、S. 弗兰舒（S. Franchoo）、K. 高尔（K. Gaul）、S. 格尔德霍夫（S. Geldhof）、T. F. 吉森（T. F. Giesen）、D. 汉斯托普（D. Hanstorp）、R. 海因克（R. Heinke）、T. 伊萨耶夫（T. Isaev）、Á. 科索鲁什（Á. Koszorús）、S. 库扬帕（S. Kujanpää）、L. 拉兰（L. Lalanne）、G. 内延斯（G. Neyens）、M. 尼科尔斯（M. Nichols）、H. A. 佩雷特（H. A. Perrett）、J. R. 赖利（J. R. Reilly）、L. V. 斯克里普尼科夫（L. V. Skripnikov）、S. 罗特（S. Rothe）、B. 范登博恩（B. van den Borne）、王庆（Q. Wang）、J. 韦索莱克（J. Wessolek）、杨晓峰（X. F. Yang）和C. 祖尔赫（C. Zülch）所著《分子中核磁化分布的观察》，2025年10月23日发表于《科学》杂志。 DOI：10.1126/science.adm7717
本研究部分得到了美国能源部的资助。
