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MIT在分子內造出微型對撞機，首次窺探原子核內部磁力分布|每日熱文

我們都知道，宇宙是由物質構成的。根據現代科學界的主流理論，宇宙誕生之初，物質應該和反物質幾乎一樣多。但現今宇宙中可觀測的絕大部分都由物質構成，反物質幾乎不見蹤影

(資料圖片僅供參考)

（來源：MIT News）

科學家認為，要回答這個問題，就必須深入到最細微的層次——原子核內部。然而，原子核太小、太難觀測。一直以來，科學家只能用像大型強子對撞機那樣的巨型裝置來“硬撞”出答案。

近日，來自美國麻省理工學院（MIT）的科學家與多個機構的科研人員合作，走出了一條完全不同的道路，將“對撞”過程微縮到了一個分子內部。他們使用一種名為氟化鐳（225Ra19F）的放射性分子，成功在分子大小的空間內構建出一臺“超微型粒子對撞機”，新方法提供了一種桌面級的替代方案，可直接探測原子內部結構。相關文章以題為“Observation of the distribution of nuclear magnetization in a molecule”發表在 Science 期刊。

放射性同位素 225Ra（鐳-225，半衰期：14.9 天）含有 88 個質子和 137 個中子。與多數呈球形結構的原子核不同，鐳原子核具有更不對稱的構型，類似于一個梨的形狀，被認為具有一種罕見的核八極形變。

梨形核為何重要？因為它更容易放大原子核內部極其微小的對稱性破缺效應。而對稱性破缺正是解釋宇宙里反物質為何消失的關鍵。

但鐳具有天然放射性，且壽命短，要“窺視”鐳原子核內部并研究其基本對稱性是一項極其棘手的工作。

因此，在這項研究中，團隊將鐳與氟原子結合，生成 225Ra19F 分子。在新的分子內部，鐳原子的電子受到擠壓，其分子內部電子所感受到的電場強度比實驗室可施加的電場強數千倍。這增加了電子與鐳原子核相互作用甚至短暫進入核內部的概率。

圖 | 實驗裝置（來源：Science）

這就像在分子內部安裝了一張超高能的顯微鏡，把原本模糊的核內部結構清晰放大?！胺肿颖旧砭拖褚慌_迷你粒子加速器，我們可以借此真正看到原子核內部發生了什么?！盡IT 物理學家 Silviu-Marian Udrescu 形象地表示。

此外，研究團隊將分子俘獲并冷卻，置入真空系統中，并使用精密激光光譜技術測量了 225Ra19F 分子中電子能級的極細微變化。這些變化來源于電子穿透原子核時與核內部質子、中子的相互作用。

結果顯示，電子的能量與理論中僅在核外發生相互作用時的預期值存在微小差異。盡管該能量偏移僅為激光光子能量的約百萬分之一，但卻是電子與原子核內部質子和中子發生相互作用的明確證據。

這也是世界上首次在分子體系中觀測到核磁化分布效應（Bohr–Weisskopf Effect），其在原子物理中也稱為玻爾-韋斯柯夫效應，指的是原子核的磁矩并非由一個理想的、無限小的點所產生，而是由核內質子和中子的磁化強度在有限大小的核體積內具體分布所決定的。簡單來說，它描述了原子核的“磁鐵”屬性在空間上是如何展開的，而不僅僅是一個點磁鐵。

此前該效應僅在簡單原子中被觀測到，而分子中由于電子結構更復雜，驗證一直被視為“難題”。MIT 通過實驗與先進量子化學計算相結合，使觀測成為可能，標志著核物理實驗精度邁入新階段。

下一階段，團隊計劃進一步利用該技術繪制核內部力分布圖。目前實驗中分子處于較高溫度，鐳原子核在分子中取向是隨機的。研究人員希望進一步冷卻并控制這些分子的核取向，從而更精確地繪制鐳原子核內部結構，并尋找基本對稱性破缺的直接證據。

1.S. G. Wilkins, S. M. Udrescu, M. Athanasakis-Kaklamanakis, R. F. Garcia Ruiz, et al. (2025). Observation of the distribution of nuclear magnetization in a molecule. Science, Vol 390, Issue 6771, pp. 386-389. DOI: 10.1126/science.adm7717

運營/排版：何晨龍

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