傾斜的原子核可能有助於改進核理論。 今天在Nature雜誌上描述的粗短梨形也可能指向新的粒子物理學測試，這些測試可能揭示宇宙早期時刻物質為何比反物質更常見。
原子核透過強核力結合在一起，強核力對抗將質子推開的靜電斥力。但是，從第一性原理計算這些力的相互作用非常複雜，因此理論家們設計了幾種相互競爭的模型來描述原子核的結構，這些模型基於經驗資料和簡化假設。大多數原子核大致呈球形或橄欖球形，但模型表明，有些原子核帶有永久性的凸起，像梨一樣（有些甚至可能呈香蕉形或金字塔形）。然而，對於哪些原子核最有可能呈梨形，模型之間並不完全一致。
到目前為止，實驗上只發現了一種梨形原子核：鐳226，其形狀早在1993年就被勾勒出來。該同位素相對容易處理，因為它壽命長。其他據推測為梨形的同位素非常不穩定且難以處理。
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為了尋找更多的梨形原子核，英國利物浦大學的物理學家彼得·巴特勒和他的同事在位於瑞士日內瓦附近歐洲粒子物理實驗室 CERN 的 ISOLDE 同位素質量分離器設施中，向一塊碳化鈾發射了高能質子束。“當您將質子濺射到目標上時，會產生一整鍋同位素，”巴特勒說。該團隊分離出兩種物質，鐳 224 和氡 220，然後將它們匯入光束並瞄準第二個目標。當其中一個原子核與目標中的原子核近距離接觸時，它可能會被激發並開始以額外的能量旋轉，然後以 γ 射線形式失去能量。
原子核的形狀影響其在近距離接觸中被激發的難易程度。來自 γ 射線探測器的資料顯示，氡 220 在粗略的球形和傾斜的形狀之間振動，但鐳 224 是一個真正的、固定的梨形。不是細長的會議梨，更像是短頸的康米斯梨或安茹梨（見下方影片）。
核水果籃
有了兩個已知的梨形原子核，物理學家現在可以開始梳理理論模型。例如，簇模型將梨形原子核視為粘在普通球體側面的氦原子核，並預測較輕的鐳同位素應比重同位素更呈梨形。事實上，最新的結果表明，鐳 224 比鐳 226 的傾斜程度要小，這使簇模型受到質疑。另一種稱為平均場模型的方法更緊密地擬合了觀測資料，儘管並非完美。 這種核模型還無法最終確定地進行測試，但巴特勒和他的團隊希望在 2015 年 CERN 開放一個更高能量和強度的設施 HIE-ISOLDE 時進行測試。
本週發表在Physical Review Letters上的第二項研究強調了需要不同的數學模型來處理不同型別的原子核。在 ISOLDE，由德國海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的物理學家 Deyan Yordanov 領導的團隊分析了鎘離子發出的紫外光譜，該光譜受到原子核形狀的微妙影響。
鎘原子核幾乎是球形的，但該團隊發現，透過將原子核描述為由一系列殼層構成的模型，可以準確預測輕微變形。巴特勒說，這種簡單的描述不適用於他的梨形鐳。
更具吸引力的是，這些實驗可以探索基礎物理學。描述強核力、弱核力和電磁力的粒子物理學標準模型，留下了一些基本問題未解決。例如，它不能完全解釋為什麼宇宙中物質比反物質更多。如果物質和反物質的行為方式相同，它們幾乎會在大爆炸的最初幾秒內完全相互湮滅，只留下少量的輻射。
各種旨在取代標準模型的想法可以解釋物質偏差。它們還預測，某些原子核應該產生弱電偶極場，類似於條形磁鐵的磁場。如果是這樣，梨形原子核應該具有最強的電偶極子，測量這些偶極子可以幫助研究人員在各種模型之間做出選擇。最新的結果證實，鐳同位素應該是尋找電偶極子的好地方，而一些釷和鈾同位素可能更好。
“我相信，這最終將導致比這項實驗本身更廣泛的影響，並有可能對標準模型施加約束，”英國曼徹斯特大學的核物理學家加文·史密斯說，他不是巴特勒團隊的成員。
本文經《自然》雜誌許可轉載。 該文章於 2013 年 5 月 8 日首次發表。