麻省理工學院開發出「桌上型」新技術：利用分子電子探測原子核內部結構

麻省理工學院 (MIT) 的物理學家們宣布，他們成功開發出一種革命性的新方法，用於探測原子核的內部構造，而無需依賴耗資巨大的大型粒子加速器。這項技術的核心是將單氟化鐳 (RaF) 分子中的電子作為內部探針，本質上提供了一種可行的「桌上型」途徑來進行基礎物理學研究。這項重要的成就已於 2025 年 10 月 23 日發表在《科學》(Science) 期刊上。

該方法的精妙之處在於創造了一個由鐳原子與氟原子鍵結而成的分子。在這種獨特的分子環境中，圍繞著鐳原子核運轉的電子會經歷一個巨大的內部電場。這個電場的強度遠超一般實驗室條件下所能產生的電場。這種驚人的增強效應，極大地提高了電子短暫穿透鐳原子核，並與其中的質子和中子發生交互作用的可能性。當這些電子離開原子核時，它們會攜帶極其微小的能量偏移——這可視為一種「核訊息」，研究人員正是透過測量這種偏移來獲取關於原子核內部結構的寶貴資訊。

這項技術首次實現了對原子核「磁分佈」的測量，該分佈描述了質子與中子在原子核內的相對排列方式。首席作者謝恩·威爾金斯 (Shane Wilkins) 形容，將放射性鐳放入分子中是一種極其優雅的科學策略，它有效地將該分子轉變為一個微型對撞機。這項研究是與位於瑞士歐洲核子研究組織 (CERN) 的 CRIS（共線共振電離光譜實驗）合作進行的，所有的測量工作都在那裡完成。參與這項重要研究的團隊成員還包括羅納德·加西亞·魯伊斯 (Ronald Garcia Ruiz) 和西爾維烏-馬里安·烏德雷斯庫 (Silviu-Marian Udrescu)。

這項工作對宇宙學領域具有深遠的影響。鐳原子核具有罕見的「梨形」不對稱結構，這與大多數球形原子核形成鮮明對比。理論推測，這種變形會放大基本對稱性中極其微小的破壞，而這種破壞可能正是解釋宇宙中物質為何主導反物質的關鍵。成功繪製磁分佈圖，能夠為解釋這種宇宙失衡的理論模型提供至關重要的實驗數據。相較於需要數公里長加速器設施的傳統方法，這種分子技術更為緊湊，為研究其他不穩定的放射性分子開闢了新的前景，包括那些可能在超新星等宇宙現象中形成的分子。