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與分子相比，一個中子看起來有多大？相對于分子來說，中子的大小實在是微不足道，它就像是存在于一場風(fēng)暴云中的一顆塵埃粒子。然而，就像一顆微小的塵埃顆粒也可能影響云的軌跡一樣，大小還不到分子的百萬分之一的中子也可以影響云分子的能量。

但是，要在現(xiàn)實中測量中子的這種微小效應(yīng)是非常困難的。現(xiàn)在，在一項最新研究中，一個國際物理學(xué)家團(tuán)隊運用了一種新開發(fā)的技術(shù)，成功地在一系列精心挑選的放射性分子中，測量到了中子的這種微小的效應(yīng)。

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在自然界中，大多數(shù)原子擁有對稱的球形原子核，中子和質(zhì)子均勻地分布在整個原子核中。但對于某些放射性元素來說，它們的原子核可能有著其他的形狀，比如鐳（Ra）的原子核是奇怪的梨形，中子和質(zhì)子不均勻地分布于其中。

有物理學(xué)家認(rèn)為，這種扭曲的形狀或許加強了物理學(xué)中的對稱性破缺，從而幫助我們回答一個未解難題：為什么宇宙中充滿了物質(zhì)？如果物理學(xué)定律是對稱的，那么大爆炸應(yīng)該創(chuàng)造了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，這就會使它們?nèi)夸螠缁癁槟芰浚簿筒粫a(chǎn)生恒星、行星、生命。但我們今天所看到的宇宙卻是由物質(zhì)主導(dǎo)的，這樣的事實暗示著物理學(xué)的最基本的對稱性存在破缺。

然而，以我們目前所知的一切，還無法解釋這是為什么。如果能測量到原子核中的扭曲，那么就有望進(jìn)一步地研究這種基本的對稱性破缺。因此，放射性原子核是一類有助于我們看到并研究這些違反了對稱性的效應(yīng)的存在。然而這類原子的缺點也很明顯，那就是它們非常不穩(wěn)定，壽命周期非常短，所以物理學(xué)家必須采用非常靈敏的方法來快速生產(chǎn)和檢測它們的。

在新研究中，研究人員并沒有單獨地觀測放射性原子核，而是選擇將它們放入分子中，以進(jìn)一步增強對對稱性違反的靈敏性。這些放射性分子由至少一個放射性原子和一個或多個其他原子結(jié)合而成，每個原子都被電子云包圍著，這些電子云會一起在分子中產(chǎn)生一個極高的電場。

然而，除了在某些天體物理過程中，比如中子星并合和恒星爆炸，這些放射性分子在自然界中并不存在，必須依靠人工創(chuàng)造才可以獲得。研究人員開發(fā)了一種新的技術(shù)，能夠產(chǎn)生并研究有著很短壽命的放射性分子，而且依靠這種技術(shù)，他們還能精確地控制這些放射性分子中的中子數(shù)量。

在實驗中，他們制造出了5種不同的放射性分子一氟化鐳（²²³Ra¹?F、²²?Ra¹?F、²²?Ra¹?F、²²?Ra¹?F、²²?Ra¹?F），每一種RaF都含有一個不穩(wěn)定的鐳原子和一個氟原子，其中鐳所含有的中子數(shù)都各不相同。去年，相同的研究團(tuán)隊就報告了一種制造RaF的方法。在那之后，他們一直在試圖改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，以便能更好地在實驗室中制造出這些他們想要的放射性分子，并能精確地研究它們的特性。

他們利用位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）的同位素質(zhì)量在線分離器（ISOLDE），制造了少量RaF的同位素。這個裝置設(shè)有一束非常低能的質(zhì)子束，在實驗過程中，研究小組會將質(zhì)子束導(dǎo)向一個目標(biāo)——一個硬幣大小的碳化鈾圓盤，并向圓盤注入氟化碳?xì)怏w。隨后所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)能產(chǎn)生大量的分子，其中就包括RaF。

接著，研究人員利用激光、電磁場和離子阱等一套精確的系統(tǒng)，將RaF分離出來。他們測量了每個分子的質(zhì)量，以估計分子的鐳核中的中子數(shù)。然后他們根據(jù)中子數(shù)將分子按同位素分類。

當(dāng)他們對每個分子進(jìn)行測量時，能夠探測到由于中子數(shù)的不同對原子核的大小產(chǎn)生的微小的、幾乎無法察覺的變化。這表明像RaF這樣的放射性分子，的確對核效應(yīng)非常靈敏。這讓物理學(xué)家感到欣喜，因為這種靈敏性或許能揭示出更微妙的、前所未見的效應(yīng)，從而幫助解釋宇宙中的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性。

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這是非常了不起的成就，它的測量難度是極大的。我們可以想象這樣一個場景，一個分子的振動就像連接了一個彈簧兩端的兩個球，這些球都帶有一定的能量。如果改變其中一個球的中子數(shù)，能量就會改變。但是一個中子與分子相較是如此微小，因此以目前的精確度，是很難從一個中子的不同中獲得可觀測的能量差的。

這種測量靈敏度就好比能夠看清將珠穆朗瑪峰放在太陽表面時，太陽的半徑會發(fā)生如何微小的變化那般。相比之下，看到對稱破壞的某些影響就像看到一根頭發(fā)的寬度如何改變太陽的半徑那樣。新的研究成功地做到了這一點，物理學(xué)家可以清楚地看到這種效應(yīng)。

能夠觀察到如此微小的核效應(yīng)，暗示著科學(xué)家現(xiàn)在或許可以探索這些放射性分子的更微妙的效應(yīng)。論文的通訊作者Ronald Fernando Garcia Ruiz說：“現(xiàn)在，我們有了用這些重放射性分子來測量對稱性破缺的機會，這些重放射性分子所具有的對核現(xiàn)象的極端靈敏性，是我們在自然界的其他分子中看不到的。這或許可以為和宇宙形成有關(guān)的一個主要謎團(tuán)帶來答案。”