奇异粒子可提供对物质和反物质的更深入了解

在欧洲核子与粒子物理实验室CERN，物理学家可以产生极为罕见的短寿命原子和分子。鲁汶大学的研究人员表明，这些粒子引领了核物理和粒子物理领域的未知领域。

ISOLDE实验室是日内瓦欧洲核研究中心（CERN）上最古老的现役装置之一。自1960年代以来，就在这里通过将高能质子束发射到一块铀上来制造由质子和中子的奇异组合组成的放射性粒子（因此是不稳定的粒子）。生产后，粒子被离子化并加速。使用电磁场可以根据质量对这些粒子进行分类，并将其锁定在“陷阱”中几毫秒。

接下来，经过精心选择的同位素（具有特定数量的质子和中子的原子核，因此具有特定质量）的包裹将通过各种实验装置发送，从而有可能检查这些高度不寻常或“外来”组合的性质质子和中子的详细信息。研究人员在ISOLDE实验室进行这项研究已有五十多年，该实验室目前由鲁汶大学核物理教授Gerda Neyens领导。该实验室仍然是该领域的全球领导者之一，这恰恰是因为它一直在开发新的实验，并且因为它继续改进生产和选择最奇特的同位素的方法。

极其灵敏和精确的测量

2014年，新的测量装置投入使用，从而可以确定高度稀有的原子核的尺寸和电磁特性。这项技术被称为共线性共振电离光谱（CRIS），非常灵敏且非常精确。即使对于极少数的同位素，该技术也可以用于测量。结果，最近首次有可能以非常高的精度研究最奇特的原子核的大小。“在CRIS的开发之初，我们希望将灵敏度比现有方法提高500倍，将精度提高10倍，” Gerda Neyens说。“我们成功了。”

共线共振电离光谱法（CRIS）使确定高度稀有的原子核的尺寸和电磁性能成为可能。

尼昂斯的前博士生鲁本·德·格罗特（Ruben de Groote）自此从鲁汶大学（KU Leuven）获得核物理博士学位以来，在这一发展中起着领导作用。作为他的博士研究的一部分，de Groote将CRIS技术改进到足以敏感地检查核物理基础知识的程度。首先，他能够产生和研究所谓的超外延原子核，这种原子核仅存在一秒钟。其中包括约二十种不同的铜元素同位素（其原子核中有29个质子）。de Groote解释说：“原子核中的质子数量决定了原子的化学性质，以及原子在与其他元素的反应中的行为方式。”“但是核中的中子数量决定了它的物理性质，例如原子核的大小和重量，或者其寿命。”

中子对于通过强大的核力将质子保持在原子核中也至关重要。内恩斯：“就铜而言，我们尚不知道到底可以增加29个质子多少个中子。”换句话说，中子数量的上限仍然未知。不同的理论模型各自预测不同的限制。de Groote说：“我们的研究旨在确定最奇特的同位素的性质，以便我们可以测试这些模型。”

最奇特的铜同位素

通过提高CRIS方法的灵敏度和精度，de Groote能够绘制出各种铜核的尺寸图，直至并包括包含49个中子的78号铜同位素的尺寸。这使他能够在“核图”上探索未知领域。这是一项令人印象深刻的壮举，因为他们每秒能够研究的最奇特的铜同位素（copper-78）只能生产二十份。而且，这些原子核仅存在335毫秒。

ISOLDE大厅一部分的俯视图，上面有几条实验光束线。

De Groote能够证明，正如预期的那样，当添加中子时，铜核的大小随着原子序数的增加而逐渐增加，但是当核中存在46个中子时，这种趋势突然停止。从那时起，尺寸一直保持不变，直到铜78。该同位素有49个中子，接近“魔术”数50。格罗特说：“具有50个中子的核比其他核坚固得多，尽管这些铜核所含的中子几乎是质子的三倍。”de Groote的研究发表在《自然物理学》上。

Neyens补充说：“我们放大了核图的一个充满异国情调但至关重要的区域，这使我们能够测试最新的核物理模型。在核图上，所谓的双神奇核是锚点。“这些原子核是我们模型的基石，它们描述了例如强大的核力量如何将原子核保持在一起。该力比例如电磁力更难描述，因为它作用于原子核的基本构成部分即夸克。从亚核子粒子之间的强相互作用和弱相互作用开始描述核特性仍然是当今的挑战。”

物质与反物质之间的平衡

CRIS技术为深入了解核物理铺平了道路，但它的潜在应用超出了此范围。物理学家还可以使用它来找到有关我们宇宙的最基本问题的答案。该测量方法还可用于检查其中分子之一包含放射性核的奇异分子。在ISOLDE实验室中，此类放射性分子是首次产生的，之后可以使用CRIS方法进行检查。Neyens说：“我们所研究的分子（RaF或氟化镭）的性质仅在理论上是已知的，因为这些分子仅以放射性形式存在。”“我们的测量结果表明，量子化学的理论预测是正确的，因此这些分子足够灵敏，可以检测到现行粒子物理标准模型中的偏差。”

ISOLDE实验室的Gerda Neyens教授（从左到右）与研究人员Ronald Garcia Ruiz，Adam Vernon和Agi Koszorus在一起。

欧洲核子研究中心的物理学家表明，RaF分子可用于寻找所谓的电偶极矩。如果找到其中之一，则意味着不仅有磁北极和南极，而且还有电极。这样的电偶极子也使宇宙学家着迷，因为它的存在可以解释为什么宇宙中物质与反物质之间的平衡会发生偏差。事实上，几乎没有任何反物质，即使在大爆炸发生时物质和反物质必须起源于同等数量。

《自然》杂志刚刚发表了一篇文章，其中的主要作者罗纳德·加西亚·鲁伊斯（Ronald Garcia Ruiz也获得了Neyens团队的KU Leuven博士学位，现在与麻省理工学院有联系）。并且它们的化学性质非常适合寻找与标准模型之间的偏差。Neyens和de Groote目前正在与Garcia Ruiz建立合作关系，以重新寻找电偶极矩。德·格罗特（De Groote）：“我们希望进一步缩小最敏感的测量值与偶极矩的理论预测值之间的差距，根据标准模型，该值非常小。”