倾斜的原子核可能有助于改进核理论。 今天在Nature杂志上描述的粗短梨形也可能指向新的粒子物理学测试，这些测试可能揭示宇宙早期时刻物质为何比反物质更常见。
原子核通过强核力结合在一起，强核力对抗将质子推开的静电斥力。但是，从第一性原理计算这些力的相互作用非常复杂，因此理论家们设计了几种相互竞争的模型来描述原子核的结构，这些模型基于经验数据和简化假设。大多数原子核大致呈球形或橄榄球形，但模型表明，有些原子核带有永久性的凸起，像梨一样（有些甚至可能呈香蕉形或金字塔形）。然而，对于哪些原子核最有可能呈梨形，模型之间并不完全一致。
到目前为止，实验上只发现了一种梨形原子核：镭226，其形状早在1993年就被勾勒出来。该同位素相对容易处理，因为它寿命长。其他据推测为梨形的同位素非常不稳定且难以处理。
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为了寻找更多的梨形原子核，英国利物浦大学的物理学家彼得·巴特勒和他的同事在位于瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室 CERN 的 ISOLDE 同位素质量分离器设施中，向一块碳化铀发射了高能质子束。“当您将质子溅射到目标上时，会产生一整锅同位素，”巴特勒说。该团队分离出两种物质，镭 224 和氡 220，然后将它们导入光束并瞄准第二个目标。当其中一个原子核与目标中的原子核近距离接触时，它可能会被激发并开始以额外的能量旋转，然后以 γ 射线形式失去能量。
原子核的形状影响其在近距离接触中被激发的难易程度。来自 γ 射线探测器的数据显示，氡 220 在粗略的球形和倾斜的形状之间振动，但镭 224 是一个真正的、固定的梨形。不是细长的会议梨，更像是短颈的康米斯梨或安茹梨（见下方视频）。
核水果篮
有了两个已知的梨形原子核，物理学家现在可以开始梳理理论模型。例如，簇模型将梨形原子核视为粘在普通球体侧面的氦原子核，并预测较轻的镭同位素应比重同位素更呈梨形。事实上，最新的结果表明，镭 224 比镭 226 的倾斜程度要小，这使簇模型受到质疑。另一种称为平均场模型的方法更紧密地拟合了观测数据，尽管并非完美。 这种核模型还无法最终确定地进行测试，但巴特勒和他的团队希望在 2015 年 CERN 开放一个更高能量和强度的设施 HIE-ISOLDE 时进行测试。
本周发表在Physical Review Letters上的第二项研究强调了需要不同的数学模型来处理不同类型的原子核。在 ISOLDE，由德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家 Deyan Yordanov 领导的团队分析了镉离子发出的紫外光谱，该光谱受到原子核形状的微妙影响。
镉原子核几乎是球形的，但该团队发现，通过将原子核描述为由一系列壳层构成的模型，可以准确预测轻微变形。巴特勒说，这种简单的描述不适用于他的梨形镭。
更具吸引力的是，这些实验可以探索基础物理学。描述强核力、弱核力和电磁力的粒子物理学标准模型，留下了一些基本问题未解决。例如，它不能完全解释为什么宇宙中物质比反物质更多。如果物质和反物质的行为方式相同，它们几乎会在大爆炸的最初几秒内完全相互湮灭，只留下少量的辐射。
各种旨在取代标准模型的想法可以解释物质偏差。它们还预测，某些原子核应该产生弱电偶极场，类似于条形磁铁的磁场。如果是这样，梨形原子核应该具有最强的电偶极子，测量这些偶极子可以帮助研究人员在各种模型之间做出选择。最新的结果证实，镭同位素应该是寻找电偶极子的好地方，而一些钍和铀同位素可能更好。
“我相信，这最终将导致比这项实验本身更广泛的影响，并有可能对标准模型施加约束，”英国曼彻斯特大学的核物理学家加文·史密斯说，他不是巴特勒团队的成员。
本文经《自然》杂志许可转载。 该文章于 2013 年 5 月 8 日首次发表。