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新线索:为什么几乎都是物质?

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与分子相比,一个中子看起来有多大?相对于分子来说,中子的大小实在是微不足道,它就像是存在于一场风暴云中的一颗尘埃粒子。然而,就像一颗微小的尘埃颗粒也可能影响云的轨迹一样,大小还不到分子的百万分之一的中子也可以影响云分子的能量。

但是,要在现实中测量中子的这种微小效应是非常困难的。现在,在一项最新研究中,一个国际物理学家团队运用了一种新开发的技术,成功地在一系列精心挑选的放射性分子中,测量到了中子的这种微小的效应。

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在自然界中,大多数原子拥有对称的球形原子核,中子和质子均匀地分布在整个原子核中。但对于某些放射性元素来说,它们的原子核可能有着其他的形状,比如镭(Ra)的原子核是奇怪的梨形,中子和质子不均匀地分布于其中。

有物理学家认为,这种扭曲的形状或许加强了物理学中的对称性破缺,从而帮助我们回答一个未解难题:为什么宇宙中充满了物质?如果物理学定律是对称的,那么大爆炸应该创造了相同数量的物质和反物质,这就会使它们全部湮灭化为能量,也就不会产生恒星、行星、生命。但我们今天所看到的宇宙却是由物质主导的,这样的事实暗示着物理学的最基本的对称性存在破缺。

然而,以我们目前所知的一切,还无法解释这是为什么。如果能测量到原子核中的扭曲,那么就有望进一步地研究这种基本的对称性破缺。因此,放射性原子核是一类有助于我们看到并研究这些违反了对称性的效应的存在。然而这类原子的缺点也很明显,那就是它们非常不稳定,寿命周期非常短,所以物理学家必须采用非常灵敏的方法来快速生产和检测它们的。

在新研究中,研究人员并没有单独地观测放射性原子核,而是选择将它们放入分子中,以进一步增强对对称性违反的灵敏性。这些放射性分子由至少一个放射性原子和一个或多个其他原子结合而成,每个原子都被电子云包围着,这些电子云会一起在分子中产生一个极高的电场。

然而,除了在某些天体物理过程中,比如中子星并合和恒星爆炸,这些放射性分子在自然界中并不存在,必须依靠人工创造才可以获得。研究人员开发了一种新的技术,能够产生并研究有着很短寿命的放射性分子,而且依靠这种技术,他们还能精确地控制这些放射性分子中的中子数量。

在实验中,他们制造出了5种不同的放射性分子一氟化镭(²²³Ra¹⁹F、²²⁴Ra¹⁹F、²²⁵Ra¹⁹F、²²⁶Ra¹⁹F、²²⁸Ra¹⁹F),每一种RaF都含有一个不稳定的镭原子和一个氟原子,其中镭所含有的中子数都各不相同。去年,相同的研究团队就报告了一种制造RaF的方法。在那之后,他们一直在试图改进现有技术,以便能更好地在实验室中制造出这些他们想要的放射性分子,并能精确地研究它们的特性。

他们利用位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)的同位素质量在线分离器(ISOLDE),制造了少量RaF的同位素。这个装置设有一束非常低能的质子束,在实验过程中,研究小组会将质子束导向一个目标——一个硬币大小的碳化铀圆盘,并向圆盘注入氟化碳气体。随后所发生的化学反应能产生大量的分子,其中就包括RaF。

接着,研究人员利用激光、电磁场和离子阱等一套精确的系统,将RaF分离出来。他们测量了每个分子的质量,以估计分子的镭核中的中子数。然后他们根据中子数将分子按同位素分类。

当他们对每个分子进行测量时,能够探测到由于中子数的不同对原子核的大小产生的微小的、几乎无法察觉的变化。这表明像RaF这样的放射性分子,的确对核效应非常灵敏。这让物理学家感到欣喜,因为这种灵敏性或许能揭示出更微妙的、前所未见的效应,从而帮助解释宇宙中的物质-反物质不对称性。

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这是非常了不起的成就,它的测量难度是极大的。我们可以想象这样一个场景,一个分子的振动就像连接了一个弹簧两端的两个球,这些球都带有一定的能量。如果改变其中一个球的中子数,能量就会改变。但是一个中子与分子相较是如此微小,因此以目前的精确度,是很难从一个中子的不同中获得可观测的能量差的。

这种测量灵敏度就好比能够看清将珠穆朗玛峰放在太阳表面时,太阳的半径会发生如何微小的变化那般。相比之下,看到对称破坏的某些影响就像看到一根头发的宽度如何改变太阳的半径那样。新的研究成功地做到了这一点,物理学家可以清楚地看到这种效应。

能够观察到如此微小的核效应,暗示着科学家现在或许可以探索这些放射性分子的更微妙的效应。论文的通讯作者Ronald Fernando Garcia Ruiz说:“现在,我们有了用这些重放射性分子来测量对称性破缺的机会,这些重放射性分子所具有的对核现象的极端灵敏性,是我们在自然界的其他分子中看不到的。这或许可以为和宇宙形成有关的一个主要谜团带来答案。”

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