放射性分子對微妙的核現(xiàn)象很敏感，可能會幫助物理學(xué)家探測自然界最基本的對稱性的違反情況。想象一下風(fēng)暴云中的一個塵埃粒子，你就可以了解到一個中子與它所居住的分子的規(guī)模相比是多么的微不足道。

但是，正如一個塵埃微粒可能會影響云的軌跡一樣，一個中子可以影響其分子的能量，盡管它的大小還不到百萬分之一。而現(xiàn)在麻省理工學(xué)院和其他地方的物理學(xué)家已經(jīng)成功地測量了一個放射性分子中的中子的微小影響。

該團隊開發(fā)了一種新技術(shù)，用于生產(chǎn)和研究中子數(shù)可以精確控制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，每一種都比下一種多一個中子。當(dāng)他們測量每個分子的能量時，他們能夠檢測到由于一個中子的影響而導(dǎo)致的核大小的微小的、幾乎無法察覺的變化。能夠看到如此小的核效應(yīng)這一事實表明，科學(xué)家們現(xiàn)在有機會在這種放射性分子中尋找更微妙的效應(yīng)，例如由暗物質(zhì)引起的，或者由與目前宇宙的一些奧秘有關(guān)的新的對稱性違反來源的效應(yīng)引起的。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)放射性分子對微妙的核效應(yīng)很敏感，可以成為解釋為什么宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)的理想探針。

"如果物理學(xué)定律像我們認(rèn)為的那樣是對稱的，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)。"麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授羅納德-費爾南多-加西亞-魯伊斯說："我們看到的大部分是物質(zhì)，而反物質(zhì)只有大約每億分之一，這意味著存在著對物理學(xué)最基本對稱性的違反，其方式是我們無法用我們所知道的一切來解釋的。現(xiàn)在我們有機會測量這些違反對稱性的情況，使用這些重的放射性分子，它們對我們在自然界其他分子中看不到的核現(xiàn)象有極高的敏感性。"這可以為宇宙是如何被創(chuàng)造出來的主要謎團之一提供答案。"

魯伊斯和他的同事7月7日在《物理評論快報》上發(fā)表了他們的結(jié)果。

一種特殊的不對稱性

自然界中的大多數(shù)原子都擁有一個對稱的球形原子核，中子和質(zhì)子均勻地分布在其中。但是在某些放射性元素如鐳中，原子核長成了奇怪的梨形，中子和質(zhì)子在其中的分布不均勻。物理學(xué)家假設(shè)，這種形狀的扭曲可以加強對對稱性的違反，而對稱性是宇宙中物質(zhì)的起源。

"放射性核可以讓我們輕易地看到這些違反對稱性的效果，"研究的主要作者Silviu-Marian Udrescu說，他是麻省理工學(xué)院物理系的一名研究生。"缺點是，它們非常不穩(wěn)定，存活時間很短，所以我們需要敏感的方法來生產(chǎn)和快速地檢測它們。"

研究小組沒有試圖單獨確定放射性核，而是將它們放在一個分子中，進(jìn)一步放大了對違反對稱性的敏感性。放射性分子由至少一個放射性原子組成，與一個或多個其他原子結(jié)合。每個原子都被一團電子所包圍，這些電子在分子中共同產(chǎn)生了一個極高的電場，物理學(xué)家認(rèn)為這可以放大微妙的核效應(yīng)，例如對稱性違反的效應(yīng)。

然而，除了某些天體物理過程，如中子星合并和恒星爆炸，讓人感興趣的放射性分子并不存在于自然界，因此必須由人工創(chuàng)造。研究人員一直在改進(jìn)技術(shù)，以在實驗室中創(chuàng)造放射性分子，并精確研究它們的特性。去年，他們報告了一種生產(chǎn)單氟化鐳分子的方法，即RaF，一種包含一個不穩(wěn)定的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(shù)來生產(chǎn)RaF同位素，或具有不同數(shù)量中子的放射性分子的版本。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(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的在線同位素質(zhì)量分離器(ISOLDE)設(shè)施來生產(chǎn)少量的RaF同位素。

該設(shè)施有一個低能量質(zhì)子束，研究小組將質(zhì)子束指向一個目標(biāo)--一個半美元大小的碳化鈾圓盤，他們還向其注入了氟化碳?xì)怏w。隨后的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了一系列的分子，包括RaF，研究小組使用一個由激光、電磁場和離子阱組成的精確系統(tǒng)將這些分子分離。研究人員測量了每個分子的質(zhì)量，以估計一個分子的鐳核中的中子數(shù)量。然后他們根據(jù)分子的中子數(shù)，按同位素對分子進(jìn)行分類。最后，他們分出了五種不同同位素的RaF，每一種都比下一種帶有更多的中子。通過一個單獨的激光系統(tǒng)，該團隊測量了每個分子的量子水平。

"想象一下，一個分子像彈簧上的兩個球一樣振動，具有一定的能量，"Udrescu解釋說，他是麻省理工學(xué)院核科學(xué)實驗室的一名研究生。"如果你改變其中一個球中的中子數(shù)量，能量的數(shù)量可能會改變。但是一個中子比一個分子小1000萬倍，以我們目前的精度，我們沒有想到改變一個中子會產(chǎn)生能量差異，但它確實如此。而且我們能夠清楚地看到這種影響。"

Udrescu將測量的敏感性比作能夠看到放置在太陽表面的珠穆朗瑪峰如何改變太陽的半徑，無論多么細(xì)微。相比之下，看到對稱性違反的某些影響就像看到一根人類頭發(fā)的寬度會如何改變太陽的半徑。

這些結(jié)果表明，像RaF這樣的放射性分子對核效應(yīng)是超敏感的，它們的敏感性可能會揭示出更微妙的、從未見過的效應(yīng)，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(zhì)-反物質(zhì)不對稱性。

"這些非常重的放射性分子很特別，對我們在自然界其他分子中看不到的核現(xiàn)象很敏感，"Udrescu說。"這表明，當(dāng)我們開始尋找違反對稱性的效應(yīng)時，我們有很大的機會在這些分子中看到它們。"

關(guān)鍵詞： MIT院 物理學(xué)家 宇宙 新線索