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麻省理工学院物理学家发现宇宙中的反物质如此之少的新线索

天体物理 | 感谢投递 2021-07-15 405

但是,正如一个尘埃微粒可能会影响云的轨迹一样,一个中子可以影响其分子的能量,尽管它的大小还不到百万分之一。而现在麻省理工学院和其他地方的物理学家已经成功地测量了一个放射性分子中的中子的微小影响。

该团队开发了一种新技术,用于生产和研究中子数可以精确控制的短寿命放射性分子。他们手工挑选了同一分子的几种同位素,每一种都比下一种多一个中子。当他们测量每个分子的能量时,他们能够检测到由于一个中子的影响而导致的核大小的微小的、几乎无法察觉的变化。能够看到如此小的核效应这一事实表明,科学家们现在有机会在这种放射性分子中寻找更微妙的效应,例如由暗物质引起的,或者由与目前宇宙的一些奥秘有关的新的对称性违反来源的效应引起的。

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麻省理工学院的物理学家发现放射性分子对微妙的核效应很敏感,可以成为解释为什么宇宙中物质多于反物质的理想探针。

"如果物理学定律像我们认为的那样是对称的,那么大爆炸应该创造了相同数量的物质和反物质。"麻省理工学院物理学助理教授罗纳德-费尔南多-加西亚-鲁伊斯说:"我们看到的大部分是物质,而反物质只有大约每亿分之一,这意味着存在着对物理学最基本对称性的违反,其方式是我们无法用我们所知道的一切来解释的。现在我们有机会测量这些违反对称性的情况,使用这些重的放射性分子,它们对我们在自然界其他分子中看不到的核现象有极高的敏感性。"这可以为宇宙是如何被创造出来的主要谜团之一提供答案。"

鲁伊斯和他的同事今天(2021年7月7日)在《物理评论快报》上发表了他们的结果。

一种特殊的不对称性

自然界中的大多数原子都拥有一个对称的球形原子核,中子和质子均匀地分布在其中。但是在某些放射性元素如镭中,原子核长成了奇怪的梨形,中子和质子在其中的分布不均匀。物理学家假设,这种形状的扭曲可以加强对对称性的违反,而对称性是宇宙中物质的起源。

"放射性核可以让我们轻易地看到这些违反对称性的效果,"研究的主要作者Silviu-Marian Udrescu说,他是麻省理工学院物理系的一名研究生。"缺点是,它们非常不稳定,存活时间很短,所以我们需要敏感的方法来生产和快速地检测它们。"

研究小组没有试图单独确定放射性核,而是将它们放在一个分子中,进一步放大了对违反对称性的敏感性。放射性分子由至少一个放射性原子组成,与一个或多个其他原子结合。每个原子都被一团电子所包围,这些电子在分子中共同产生了一个极高的电场,物理学家认为这可以放大微妙的核效应,例如对称性违反的效应。

然而,除了某些天体物理过程,如中子星合并和恒星爆炸,让人感兴趣的放射性分子并不存在于自然界,因此必须由人工创造。研究人员一直在改进技术,以在实验室中创造放射性分子,并精确研究它们的特性。去年,他们报告了一种生产单氟化镭分子的方法,即RaF,一种包含一个不稳定的镭原子和一个氟原子的放射性分子。

在他们的新研究中,该团队使用类似的技术来生产RaF同位素,或具有不同数量中子的放射性分子的版本。正如他们在之前的实验中所做的那样,研究人员利用位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的在线同位素质量分离器(ISOLDE)设施来生产少量的RaF同位素。

该设施有一个低能量质子束,研究小组将质子束指向一个目标--一个半美元大小的碳化铀圆盘,他们还向其注入了氟化碳气体。随后的化学反应产生了一系列的分子,包括RaF,研究小组使用一个由激光、电磁场和离子阱组成的精确系统将这些分子分离。研究人员测量了每个分子的质量,以估计一个分子的镭核中的中子数量。然后他们根据分子的中子数,按同位素对分子进行分类。最后,他们分出了五种不同同位素的RaF,每一种都比下一种带有更多的中子。通过一个单独的激光系统,该团队测量了每个分子的量子水平。

"想象一下,一个分子像弹簧上的两个球一样振动,具有一定的能量,"Udrescu解释说,他是麻省理工学院核科学实验室的一名研究生。"如果你改变其中一个球中的中子数量,能量的数量可能会改变。但是一个中子比一个分子小1000万倍,以我们目前的精度,我们没有想到改变一个中子会产生能量差异,但它确实如此。而且我们能够清楚地看到这种影响。"

Udrescu将测量的敏感性比作能够看到放置在太阳表面的珠穆朗玛峰如何改变太阳的半径,无论多么细微。相比之下,看到对称性违反的某些影响就像看到一根人类头发的宽度会如何改变太阳的半径。

这些结果表明,像RaF这样的放射性分子对核效应是超敏感的,它们的敏感性可能会揭示出更微妙的、从未见过的效应,如微小的违反对称性的核特性,这可能有助于解释宇宙的物质-反物质不对称性。

"这些非常重的放射性分子很特别,对我们在自然界其他分子中看不到的核现象很敏感,"Udrescu说。"这表明,当我们开始寻找违反对称性的效应时,我们有很大的机会在这些分子中看到它们。"


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