科學家發現未知梨形原子核 顛覆傳統理論

據美國《赫芬頓郵報》報導，《自然》雜誌刊載了一篇文章，其中論述了一種此前未知的梨形原子核的發現，這種不規則形狀的原子核將有望顛覆傳統的原子物理理論，並揭開宇宙中物質多於反物質的謎團。
原子核是由強核力聚合在一起的，這種力必須克服質子間的靜電斥力而將原子核聚集在一起。然而要想使用第一性原理來計算這些粒子間的相互作用是非常複雜的，因此理論物理學家們提出了一些有時是相互矛盾的模型來描述原子核結構，他們的依據一般是長期以來的經驗，以及一些簡單化的假設。這樣做的結果是，大部分的原子核都會被描述成是圓形的，或是橄欖球形的，但是根據這些模型，有些原子核的一端也可能擁有一個永久性的突起，也就是說，它們是梨形的！事實上甚至還可能有些原子核是香蕉形狀或金字塔形狀的。不過這些不同的模型在究竟哪些原子核更加容易擁有此類不規則形狀的問題上並沒有達成一致的結果。

到目前為止，科學界僅僅發現了一種梨形的原子核，即鐳226，這是早在1993年便取得的發現。這種同位素相對而言比較容易操作，因為它的半衰期時間較長，而其它被懷疑擁有類似形狀的同位素原子核都太不穩定了，難以進行測量和操作。

為了在這方面尋求突破，英國利物浦大學物理學家皮特·巴特勒(Peter Butler)和他的同事們利用設在瑞士-法國邊境地區的歐洲核子中心(CERN)的ISOLDE同位素分離器裝置進行了研究。在實驗過程中，巴特勒的小組向一小塊碳化鈾物質發射出一束高能質子束。巴特勒表示：“當我們的質子束擊中這一材料時生了大量的同位素粒子。”研究組從這些物中分離出兩種粒子：鐳224和氡220。研究組隨后收集這些同位素粒子並再次將其發射向第二個靶標，當這些粒子與靶標中的原子核近距離遭遇時，它便會受激並旋轉，隨后發出伽馬射線輻射並損失能量。

在這一過程中，原子核的形狀會影響在近距離遭遇時原子核受激的難易程度。伽馬射線探測器的數據顯示氡220的原子核會在近似圓球形和兩頭不對稱形狀之間變動震盪，但是鐳224的原子核則的確是一個真正意義上的梨形，不過不是那種細長的梨，而是較為“短脖子”的梨。

找到這兩種新的梨形原子核之后，物理學家們便可以從現存的不同理論模型中進行比對並從中排除那些已經可以被證的模型了。比如所謂的“群模型”，該模型認為梨形原子核的本質實際上就類似於氦核附於原本呈球形的其它原子核上，並預言鐳較輕的同位素相比其較重的同位素會顯示出更加明顯的“梨形”特徵。然而現在的實驗觀測已經證明鐳224的梨形特徵程度要比鐳226更小，這與“群模型”給出的預言相反，這就讓這一模型的正確性受到了質疑。另一個名為“平均場模型”的理論，其與實際觀測結果更加接近，盡管仍然並不完美。在目前這一階段還無法非常明確的斷言某一理論的正確或謬誤，因為現有的設備還不允許進行非常明確的實驗檢驗，但是巴特勒和他的科研組正翹首以盼，等待預計於2015年建成的歐洲核子中心新型的“HIE-ISOLDE”設備投入使用后盡快手進行這樣的驗證性實驗觀測。這台新型設備擁有更高的能級和強度。

另外一篇近日發表在《物理評論快報》上的文章則指出了對於處理不同類型原子核所需要的不同數學模型。而在歐洲核子中心的ISOLDE，一個由德國海登堡馬克斯普朗克研究所物理學家德楊·約達諾夫(Deyan Yordanov)領銜的研究組正在對鎘離子發出的紫外輻射光譜開展研究，其原子核的形狀會對這一現象的結果生輕微影響。

鎘原子核几乎是圓形的，但是這一研究組發現一個將原子核理解為層層疊加的層結構的模型可以精確預測其原子核發生的輕微變形。然而巴特勒也表示這種簡單化的描述模型對於他發現的鐳同位素的梨形原子核卻無法進行描述。

更讓人感到驚奇不已的是，這項實驗還能揭示一些最基礎的物理學原理。粒子物理學的基石，描述強作用力，弱作用力以及電磁力的標準模型中還有一些懸而未決的問題。舉例而言，它無法解釋為何在宇宙中物質的量要比反物質更多。如果物質和反物質的行為是相同的，那麼在宇宙最初誕生的幾秒之內物質和反物質便早就已經相互湮滅而消亡殆盡，留下的只有輻射。

幾個試圖代替標準模型的理論可以解釋這種神秘的物質存在問題。這些理論也同時預言一些原子核會生很弱的電子偶極磁場，就像條形磁鐵所表現出來的磁場那樣。如果這一觀點得到證實，那麼梨形原子核可能將擁有最強的電子偶極磁場，而這一結果的最終給定將幫助物理學家們判斷那些與標準模型並駕齊驅的宏偉理論的真。最近的實驗結果顯示鐳同位素的原子似乎是尋找這種電子偶極磁場的不錯對象，而其它一些原子，如釷和鈾的同位素原子核則可能更加理想。