了解奇异核的灵敏探针——放射性分子
来源：中国数字科技馆
根据已知的物理定律，物质和反物质表现出近乎完美的对称性，物理学家由此推测早期宇宙中存在等量的物质和反物质。但愈加精确的天文学和宇宙学观测结果表明，可见宇宙完全由物质主导，几乎没有多少反物质存在。是什么导致了宇宙中正物质占多数？物理学家猜测此问题的答案在于基本对称性破缺，例如当时间箭头反转时，亚原子粒子相互作用会有所不同。
发现这些破缺行为的一种方法是研究极性分子内某些梨形放射性核。研究表明，此类分子的能谱是对于对称性破缺异常敏感的探针。为了充分发挥这些放射性分子的探测潜力，研究人员需要更好地了解它们的能谱，特别是需要了解量子化学分子中，原子核与电子之间的相互作用会如何影响分子的量子力学能级。麻省理工学院的Silviu-Marian Udrescu及其同事目前通过测量含有不同镭（Ra）同位素的氟化镭（RaF）分子的量子力学能级来回答这一问题。通过考虑各种镭同位素的原子核大小，该团队确定了这些能级的同位素位移，并测试了用于预测分子光谱的量子化学模型。这种新方法将帮助研究人员使用含有镭核与其他重核的分子，设计出具有更高灵敏度的对称性破缺测试。
探测这些放射性分子的对称性破缺需要详细地了解分子能级。原子核通过与电子产生相互作用来影响原子能级。对于重核，影响能级的关键因素是有限核体积内电子密度的大小和变化。结合原子物理学理论，测量原子能级跃迁产生的激光光谱可以以一种独立于原子核模型的方式提取有关核形状和大小的定量信息。这项技术为核结构理论提供了强有力的实验基础，旨在预测上述特性。改变特定核素的中子数会导致原子能级发生微小但可观测的变化，此现象称为同位素位移。同位素链中原子的同位素位移测量揭示了原子核的形状和大小的变化，正如最近在铌元素（Nb）中所做的那样。尽管在分子中也可以观察到此类同位素位移，但目前还没有在含有重于铅核（Pb）的分子中测量到。
现在，Udrescu及其同事使用激光光谱测量了一系列镭同位素（质量数为223–226和228）在氟化镭中的同位素位移。结合已有文献中给出的镭同位素大小，研究人员提取出了同位素位移常数，该常数描述了原子核大小对同位素位移的影响。然后，他们将实验得出的同位素位移常数与量子化学计算结果进行了比较。由于该常数对电子量子力学波函数与核体积的重叠极为敏感，因此与实验的比较提供了检验量子化学理论的严格判据。
在欧洲核子中心（CERN）的同位素分离器在线设备（ISOLDE）上，研究人员通过用高能质子轰击铀靶而生成了镭同位素。该团队在四氟化碳气体环境下加热铀靶，形成了带有一单位正电荷的氟化镭离子（RaF+）。这些离子随后被提取、根据质量过滤、冷却、聚束和中和，形成含有特定镭同位素的中性氟化镭分子脉冲束。为了对目标能量跃迁进行光谱测量，研究人员用激光照射这些中性分子，激光的频率可以通过分子光谱进行扫描获得。之后，那些被共振激发的分子将再次被第二束激光以不同的固定频率电离，离子检测器会根据可调谐激光频率对产生的氟化镭离子进行计数。根据先前文献中给出镭核大小，实验上的同位素位移常数可作为尺寸的函数，通过拟合位移曲线得出。
研究人员还使用基于相对论分子理论的代码计算了同位素位移常数。尽管氟化镭分子只有一个价电子，但研究人员通过考虑17个最外层电子及其间关联进行了计算。他们还使用27个核外电子进行了一组有限的、更耗时但精度更高的计算，并根据结果来评价根据17个电子计算的结果。计算结果对核电荷分布的具体形状并不敏感，并且与实验所得一致，误差在10%以内。此外，该团队还使用同位素位移常数的经验模型来推断所探测跃迁的基态和激发态之间有效电子密度的差异，这种差异也与量子化学计算非常吻合。这一差异在很大程度上决定了分子能级对核尺寸效应的极高敏感性，因此至关重要。
工作结果表明，该技术可以足够精确地测量分子同位素位移，以研究重核同位素链中原子核的形状和大小变化。这一结论对研究外来锕系核素的核结构具有重要意义，此类核素的分子形式可能比孤立原子更容易获得。此外，以实验数据为准，成功地对量子化学计算进行基准测试具有极高的价值，因为这些计算的可靠性是理解电子-核相互作用的关键，而此类相互作用决定了放射性分子对于对称性破缺的敏感性。
Udrescu及其同事研究的某些放射性梨形原子核，例如镤（Pa）核和镭核，对基本对称性破缺具有极高的敏感性。当在氟化镭等极性分子内部探测这些奇异核时，这种敏感性会进一步增强。通过提高激光光谱的分辨率，研究人员将能够研究氟化镭以及其他放射性分子，如一氧化钍（ThO）和一氧化镨（PaO）中与核自旋相关的效应。分子同位素位移的精确测量也使研究人员有机会寻找新类型的奇异力形式。
作者：Jaideep Taggart Singh
翻译：叶欢仪
审校：张和持
引进来源：美国物理协会（APS）
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