阅读这个故事时，您将学到以下内容：

  • 麻省理工学院的科学家发现了一种使用氟化镭创建粒子加速器的方法。
  • 在真空室中用激光激发后，科学家们能够测量镭电子的能量变化，包括当这些电子穿透原子核时的情况。
  • 这为科学家们提供了一种新的探测原子磁分布的方法，这可能会导致对物质-反物质不对称等重大问题的答案。

在物理学中，如果想研究非常微小的事物，就得建一些非常大的设备。最著名的例子——大型强子对撞机——是一个长达17英里的隧道，专门建造用于探索亚原子世界。然而，麻省理工学院的科学家们领导的一项新研究表明，您并不总是需要庞大的超级机器来探索宇宙的一些最基础的奥秘。

在上个月发表的这项《科学》期刊的新研究中，科学家们准确测量了镭原子中电子的能量——当与氟原子配对形成氟化镭时——它就像一个原子级的粒子加速器。研究小组还注意到电子能级的轻微变化，确认这些电子短暂穿透了镭原子的原子核，并首次提供了精确绘制镭的好机会。

“当你将这个放射性原子放入一个分子中时，它的 电子 所经历的内部电场与我们在实验室中能够产生和施加的电场相比，要大得多，”来自麻省理工学院的研究共同作者和博士生Silviu-Marian Udrescu在 新闻声明 中表示。“在某种程度上，这个分子就像一个巨大的粒子对撞机，为我们提供了更好的机会去探测镭的原子核。”

在这个实验中使用镭是特别重要的，因为该原子的非对称结构——大多数物理学家将其描述为“梨形”——是整个过程得以实现的部分原因。物理学家表示，梨形原子显著增强了我们寻找超出标准模型的现象，包括时间（T）和电荷宇称（CP）对称性破缺的能力。

在这个成熟的模型中，原子不能拥有永久电偶极矩（EDM）——即两个相等且相反的电荷在小距离下的测量——但 之前的估计 表明，由于其不对称的电荷和质量，梨形原子中的EDM特征可能增强近1000倍。

对这些对称性破缺的探索直接影响着物理学家们对物质-反物质不对称性这一令人困惑的问题（或多个答案）的持续探索。简单来说，在 大爆炸 的早期阶段，标准模型表明物质和反物质应该相互湮灭，只留下纯能量。当然，这并没有发生（你就是活生生的例子），而这个事实至今仍是科学上最大的谜团之一。

在这项研究中，研究人员测量了电子在离开镭的原子核时的能量偏移，这些电子携带着能够揭示原子内部结构信息的核“信息”。这一技术为科学家们提供了一种新的方式来绘制原子的“磁分布”，这是探索物质与反物质不对称性更深层次奥秘的重要一步。

来自麻省理工学院的研究共同作者罗纳德·费尔南多·加西亚·鲁伊斯在一份新闻声明中说：“我们的结果为后续研究打下了基础，目的是测量核层面基本对称性的破坏。” “这可能会为现代物理学中一些最紧迫的问题提供答案。”

到目前为止，Garcia Ruiz 和他的团队仅在 高温 下研究了这些原子的随机方向。然而，未来的研究将氟化镭单分子冷却以控制它们的方向，从而使科学家能够准确绘制其内部结构。

“我们现在有证据表明我们可以在 原子核 内进行取样，”Garcia Ruiz 在一份新闻声明中说。“这就像能测量电池内部的电场。人们可以测量电池外部的电场，但要测量电池内部的电场就难多了。这就是我们现在能做到的。”