你很难想象,一个比头发丝还纤细的分子,能完成数公里长的巨型加速器才能胜任的任务。
麻省理工学院的物理学家们就做到了这一点,他们将单个镭原子与氟原子“配对”,造出了世界上最小的粒子对撞机,用这种近乎“微观魔术”的方式,悄悄揭开了宇宙最古老的谜题之一。
这个被称为一氟化镭的分子,之所以能成为实验明星,全靠镭原子那颗特别的“心脏”。大多数原子核都是规整的球形,而镭核却长成了独特的梨形(也有人形容像牛油果),这种被科学家称为“八极形变”的结构,在整个核素图中都极为罕见。
更妙的是,这种不对称性就像一个“物理信号放大器”,能把那些微弱到几乎无法探测的对称性破缺效应放大数千倍,而这正是解开物质与反物质失衡之谜的关键线索。
实验的核心思路堪称巧妙。当镭原子被嵌入一氟化镭分子后,其内部会形成极强的电场,强度比实验室能制造的最强电场还要高出好几个数量级。
在这种极端环境下,镭原子的电子被强力挤压,不得不短暂“钻进”原子核内部,与质子、中子直接互动。
这就相当于在原子尺度上完成了粒子对撞,而且精度远超传统方法。
研究团队用激光冷却技术将分子降温到接近绝对零度,再通过高精度激光光谱学测量电子能量变化,最终捕捉到了电子穿透原子核的直接证据,观测到的能量值与理论预期存在微小却显著的偏差,这正是电子在核内“探险”留下的痕迹。
更令人惊喜的是,这次实验还首次在分子体系中观测到了玻尔-韦斯柯夫效应,成功揭示了放射性原子核内部的磁性分布规律。
要知道电子在两个原子核间不断运动,很容易模糊磁信号,而氟原子作为简单的键合伙伴,帮科学家精准聚焦了镭核的磁结构,让这个百年难遇的观测成为可能。
这项技术的意义早已超出核物理范畴,直指那个困扰科学家数十年的宇宙级谜题:为什么我们的宇宙几乎全是物质,反物质却少得可怜?
根据宇宙大爆炸理论,早期宇宙应该诞生了等量的物质与反物质,它们相遇就会湮灭,可如今的宇宙却由物质主导,反物质仿佛“凭空消失”了。
答案很可能藏在CP对称性破缺里,简单说就是物理规律对物质和反物质有点“偏心”。
虽然科学家早已在介子衰变中发现了CP破缺的痕迹,甚至LHCb合作组还在底重子衰变中首次观测到了重子系统的CP破缺,但这些效应的强度远远不够解释宇宙中观测到的物质优势。
而镭核的梨形结构,恰好能放大那些尚未被发现的新型CP破缺效应,让它们成为实验可捕捉的信号。
更有意思的是,理论物理学家推测,暗物质候选者“轴子”可能也是这场物质-反物质之争的“幕后推手”,而麻省理工的这项技术,未来或许能为探测轴子提供新的思路。
当然,这场微观探索并非坦途。实验用的镭同位素半衰期极短,比如镭-225的半衰期仅14.9天,镭-223更是只有11.4天,往往没等完成多次测量,样本就已经衰变了。
而且一氟化镭的制备过程异常复杂,研究人员每秒仅能捕获约五十个处于合适状态的分子,对测量技术的灵敏度提出了极高要求。
但这些挑战并未阻挡科学家的脚步,目前研究团队正在开发更高效的分子制备技术和更敏感的检测方法,计划用更强大的激光系统提升信号强度。
他们的目光还投向了其他“潜力股”,钍、锕等元素也可能拥有梨形核结构,其中钍-229已经成为核光钟研究的核心对象,有望实现更高精度的物理测量。
更重要的是,这种基于分子的“桌面级”实验,打破了传统大型加速器的成本和规模限制,让更多研究团队有机会参与到前沿核物理研究中。
从数公里长的巨型设施到单个分子的微观舞台,核物理研究正在经历一场范式转变。这个藏身于分子中的“迷你对撞机”,就像一把精致的钥匙,正在一点点撬动宇宙的根本奥秘。
未来几年,随着技术的不断完善,它不仅可能帮助我们找到物质主导宇宙的终极答案,还可能为暗物质探测、新物理规律的发现开辟道路。
毕竟,宇宙的很多惊天秘密,往往就藏在这些最微小的结构里,等待着人类用智慧去解锁。
