想象一下暴風云中的一個塵埃粒子，與它所居住的分子的大小相比，你可以了解到中子的微不足道。
但就像塵埃微?？赡軙绊懺频能壽E一樣，中子可以影響其分子的能量，盡管它的大小不到其百萬分之一。現在麻省理工學院和其他地方的物理學家已經成功地測量了中子對放射性分子的微小影響。
該團隊開發了一種新技術來生產和研究具有可以精確控制的中子數的短壽命放射性分子。他們手工挑選了同一分子的幾種同位素，每個同位素比另一個多一個中子。當他們測量每個分子的能量時，由于單個中子的影響，他們能夠檢測到核大小的微小的、幾乎察覺不到的變化。
他們能夠看到如此小的核效應這一事實表明，科學家們現在有機會尋找這些放射性分子中更微妙的效應，例如由暗物質引起的，或由與某些相關的新的對稱性破壞源的影響引起的。目前宇宙的奧秘。
“如果物理定律像我們認為的那樣對稱，那么大爆炸應該產生相同數量的物質和反物質。事實上，我們所看到的大部分都是物質，而每 10 億反物質中只有大約一部分，這意味著違反了物理學最基本的對稱性，我們無法用我們所知道的一切來解釋，”麻省理工學院物理學助理教授 Ronald Fernando Garcia Ruiz 說。
“現在我們有機會使用這些重放射性分子來測量這些對稱性破壞，這些分子對核現象非常敏感，這是我們在自然界中的其他分子中看不到的，”他說。“這可以為宇宙是如何創造的主要謎團之一提供答案。”
Ruiz 和他的同事今天(2021 年 7 月 7 日)在《物理評論快報》上發表了他們的結果。
特殊的不對稱
自然界中的大多數原子都有一個對稱的球形原子核，中子和質子均勻分布在整個原子核中。但在鐳等某些放射性元素中，原子核呈奇怪的梨形，其中的中子和質子分布不均。物理學家假設這種形狀扭曲會加劇對稱性的破壞，而對稱性正是宇宙中物質起源的根源。
“放射性原子核可以讓我們很容易地看到這些對稱性破壞效應，”該研究的主要作者、麻省理工學院物理系研究生 Silviu-Marian Udrescu 說。“缺點是，它們非常不穩定，存活時間很短，所以我們需要靈敏的方法來快速生產和檢測它們。”
該團隊并沒有試圖自行確定放射性原子核，而是將它們放置在一個分子中，以進一步放大對對稱性破壞的敏感性。放射性分子由至少一個與一個或多個其他原子結合的放射性原子組成。每個原子都被一團電子包圍，這些電子云一起在分子中產生極高的電場，物理學家認為這種電場可以放大微妙的核效應，例如對稱破壞效應。
然而，除了某些天體物理過程，例如中子星合并和恒星爆炸，感興趣的放射性分子在自然界中不存在，因此必須人工創造。Garcia Ruiz 和他的同事一直在改進技術，以在實驗室中制造放射性分子并精確研究它們的特性。去年，他們報道了一種生產單氟化鐳分子的方法，或稱 RaF，一種包含一個不穩定鐳原子和一個氟原子的放射性分子。
在他們的新研究中，該團隊使用類似的技術來生產 RaF 同位素，或具有不同數量中子的放射性分子版本。正如他們在之前的實驗中所做的那樣，研究人員利用位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心的在線同位素質量分離器或 ISOLDE 設施來生產少量 RaF 同位素。
該設施裝有一束低能質子束，該團隊將其指向一個目標——一個半美元大小的碳化鈾圓盤，他們還在其上注入了氟化碳氣體。隨后發生的化學反應產生了一個包括 RaF 在內的分子動物園，該團隊使用由激光、電磁場和離子阱組成的精確系統將其分離。
研究人員測量了每個分子的質量，以估計分子鐳核中的中子數量。然后他們根據中子數按同位素對分子進行分類。
最后，他們挑選出由五種不同的 RaF 同位素組成的束，每一種都比下一種攜帶更多的中子。使用單獨的激光系統，該團隊測量了每個分子的量子能級。
“想象一個分子像彈簧上的兩個球一樣振動，具有一定的能量，”麻省理工學院核科學實驗室的研究生 Udrescu 解釋說。“如果你改變其中一個球中的中子數量，能量就會改變。但是一個中子比一個分子小 1000 萬倍，以我們目前的精度，我們沒想到改變一個會產生能量差異，但確實如此。我們能夠清楚地看到這種效果。”
Udrescu 將測量的靈敏度與能夠看到位于太陽表面的珠穆朗瑪峰如何改變太陽半徑的能力進行了比較。相比之下，看到對稱性破壞的某些影響就像看到一根頭發的寬度如何改變太陽的半徑。
結果表明，諸如 RaF 之類的放射性分子對核效應非常敏感，它們的敏感性可能會揭示更微妙的、前所未見的效應，例如微小的違反對稱性的核特性，這可能有助于解釋宇宙的物質 - 反物質不對稱。
“這些非常重的放射性分子很特殊，對我們在自然界中的其他分子中看不到的核現象具有敏感性，”Udrescu 說。“這表明，當我們開始尋找違反對稱性的效應時，我們很有可能在這些分子中看到它們。”
參考：2021 年 7 月 7 日，物理評論快報。
這項研究得到了美國能源部核物理辦公室的部分支持;MISTI 全球種子基金;歐洲研究理事會;比利時 FWO Vlaanderen 和 BriX IAP 研究計劃;德國研究基金會;英國科學技術設施委員會和歐內斯特盧瑟福獎學金。
