麻省理工學院的物理學家引入了一種研究原子核內部的技術，該技術依賴原子電子作為分子內的“信使”。
10 月 23 日發表在《 科學該團隊精確測量了繞鐳原子運行的電子的能量，鐳原子與氟化物原子進行了化學結合。這會產生一氟化鐳。利用分子環境作為微觀粒子的捕集器。它們限制鐳原子的電子。並增加了一些物質短暫穿過細胞核的機會。
探測核內部的傳統實驗依賴於千米大小的粒子加速器來加速電子束以碰撞和粉碎原子核。一種新的以分子為中心的方法允許緊湊的桌面探針直接探測細胞核的內部。
桌面方法檢測核“信息”
研究人員使用一氟化鐳來追踪鐳原子電子在分子內移動時的能量。他們觀察到能量的微小變化，並得出結論，一些電子一定短暫地進入了原子核。並與內部物質相互作用，當這些電子離開時，它們會保留能量轉變，有效地包含揭示原子核內部性質的核“信息”。
該方法開闢了一條測量途徑。原子核內的核“磁色散” 每個質子和中子的行為就像一個微小的磁鐵。它們的方向取決於這些粒子的排列方式。該團隊計劃使用這項技術首次繪製鐳的這一特性。這一步驟可能揭示宇宙學的一個關鍵謎團：為什麼宇宙中的物質比反物質多得多？
該研究的合著者羅納德·費爾南多·加西亞·魯伊斯（Ronald Fernando Garcia Ruiz）說：“我們的結果為旨在測量核水平上基本對稱性破壞的進一步研究奠定了基礎。”麻省理工學院物理學副教授托馬斯·A·弗蘭克（Thomas A. Franck）說。 “這可以為現代物理學中一些最緊迫的問題提供答案。”
麻省理工學院的合著者 Shane Wilkins、Silviu-Marian Udrescu 和 Alex Brinson 以及來自多個機構的合作者，包括瑞士歐洲核子研究中心的共線共振電離光譜實驗 (CRIS)。這就是實驗發生的地方。
物質-反物質不對稱性和鐳的作用
按照目前的認識，早期的宇宙應該有幾乎等量的物質和反物質。我們今天能探測到的幾乎所有東西都是由原子核內的質子和中子組成的物質。
這一觀察結果與標準模型的預期相矛盾。它提出需要一個額外的基本對稱性破壞的來源來解釋反物質的短缺。這種效應可能出現在某些原子的原子核內部。包括鐳。
與大多數原子核不同，鐳核接近於球體。鐳核形狀不對稱，像梨子。理論家推測，這種幾何結構可以將對稱破壞信號放大到足以使它們可觀察到。
“鐳原子核預計會成為這種對稱性破缺的放大器。這是因為它的原子核具有不對稱的電荷和質量。這是相當不尋常的，”加西亞·魯伊斯說，他的團隊致力於開發探測鐳原子核以尋找違反基本對稱性跡象的方法。
創建超靈敏分子實驗 觀察鐳核內部以測試其基本對稱性是一項嚴峻的挑戰。
“鐳具有天然放射性。它的壽命很短。目前我們只能生產微量的一氟化鐳分子，”該研究的主要作者、麻省理工學院的前博士後肖恩·威爾金斯說。 “所以我們需要一種極其靈敏的技術來測量它。”
研究小組意識到，將鐳原子嵌入分子中可以限制和放大電子的行為。
該研究的合著者 Silviu-Marian Udrescu 博士 24 歲解釋道：“當你將這種放射性原子放入分子中時，電子所經歷的內部電場比我們在實驗室中可以產生和使用的電場要大得多。” “在某種程度上，該分子的作用就像一個巨型粒子對撞機。它為我們提供了更好的機會來探索鐳原子核。”
能量變化揭示了電子和原子核的相遇。
研究人員通過將鐳原子與氟化物原子配對來製造一氟化鐳。在這個分子中，鐳電子被有效地擠壓。這增加了它們相互作用並短暫進入鐳核的機會。
然後它們捕獲並冷卻分子。引導他們通過真空室。並用設計用於與分子相互作用的激光進行照射。這種設置可以精確測量每個分子內的電子能量。
測量的能量與基於電子未進入原子核的預期幾乎沒有差異。雖然能量變化大約僅為用於激發分子的激光光子能量的百萬分之一，但它確實提供了電子與鐳原子核內的質子和中子相互作用的明確證據。
“有許多實驗可以測量核與核外電子之間的相互作用。我們知道這些反應是什麼樣的，”威爾金斯解釋道。 “當我們非常精確地測量這些電子的能量時，如果我們假設它們只在原子核外相互作用，那麼結果並不符合我們的預期。這告訴我們，這種差異一定是由於原子核內電子的相互作用造成的。”
“我們現在有證據表明我們可以對細胞核內部進行採樣，”加西亞·魯伊斯說。 “這就像測量電池的電場。人們可以測量外部電池的電場。但測量電池內部的電場更具挑戰性。而這就是我們現在可以做的。”
後續步驟：力映射和對稱性測試
未來，該團隊計劃使用這項新技術來繪製原子核內力的分佈圖。到目前為止，他們的實驗涉及高溫下每個分子內隨機定向的鐳原子核。加西亞·魯伊斯（Garcia Ruiz）和他的合作者想要冷卻這些分子並控制梨形核的方向，以便他們能夠精確地繪製它們的內容並發現違反基本對稱性的情況。
加西亞·魯伊斯說：“在尋找違反自然基本對稱性的過程中，含鐳分子預計將成為特別敏感的系統。” “我們現在有辦法進行搜索。”
這項研究得到了美國能源部的部分支持。
