科学家发现未知梨形原子核:或颠覆传统理论

2013-05-14 10:12:58  来源:新浪科技

等到2015年欧洲核子中心更高能级的设备安装完成之后,科学家们将有望对梨形原子核方面做更深一步的研究

  等到2015年欧洲核子中心更高能级的设备安装完成之后,科学家们将有望对梨形原子核方面做更深一步的研究

科学家们相信这一研究结果意义重大,最终它将在更广阔的范围内产生影响,而不会仅仅局限在这一实验本身。因为它提供的结果将有望对粒子标准模型进行限定

  科学家们相信这一研究结果意义重大,最终它将在更广阔的范围内产生影响,而不会仅仅局限在这一实验本身。因为它提供的结果将有望对粒子标准模型进行限定

  新浪科技讯 北京时间5月14日消息,据美国《赫芬顿邮报》报道,近日《自然》杂志刊载了一篇文章,其中论述了一种此前未知的梨形原子核的发现,这种不规则形状的原子核将有望颠覆传统的原子物理理论,并揭开宇宙中物质多于反物质的谜团。

  原子核是由强核力聚合在一起的,这种力必须克服质子间的静电斥力而将原子核聚集在一起。然而要想使用第一性原理来计算这些粒子间的相互作用是非常复杂的,因此理论物理学家们提出了一些有时是相互矛盾的模型来描述原子核结构,他们的依据一般是长期以来的经验,以及一些简单化的假设。这样做的结果是,大部分的原子核都会被描述成是圆形的,或是橄榄球形的,但是根据这些模型,有些原子核的一端也可能拥有一个永久性的突起,也就是说,它们是梨形的!事实上甚至还可能有些原子核是香蕉形状或金字塔形状的。不过这些不同的模型在究竟哪些原子核更加容易拥有此类不规则形状的问题上并没有达成一致的结果。

  到目前为止,科学界仅仅发现了一种梨形的原子核,即镭226,这是早在1993年便取得的发现。这种同位素相对而言比较容易操作,因为它的半衰期时间较长,而其它被怀疑拥有类似形状的同位素原子核都太不稳定了,难以进行测量和操作。

  为了在这方面寻求突破,英国利物浦大学物理学家皮特·巴特勒(Peter Butler)和他的同事们利用设在瑞士-法国边境地区的欧洲核子中心(CERN)的ISOLDE同位素分离器装置进行了研究。在实验过程中,巴特勒的小组向一小块碳化铀物质发射出一束高能质子束。巴特勒表示:“当我们的质子束击中这一材料时产生了大量的同位素粒子。”研究组从这些产物中分离出两种粒子:镭224和氡220。研究组随后收集这些同位素粒子并再次将其发射向第二个靶标,当这些粒子与靶标中的原子核近距离遭遇时,它便会受激并旋转,随后发出伽马射线辐射并损失能量。

  在这一过程中,原子核的形状会影响在近距离遭遇时原子核受激的难易程度。伽马射线探测器的数据显示氡220的原子核会在近似圆球形和两头不对称形状之间变动震荡,但是镭224的原子核则的确是一个真正意义上的梨形,不过不是那种细长的梨,而是较为“短脖子”的梨。

  意义重大

  找到这两种新的梨形原子核之后,物理学家们便可以从现存的不同理论模型中进行比对并从中排除那些已经可以被证伪的模型了。比如所谓的“群模型”,该模型认为梨形原子核的本质实际上就类似于氦核附着于原本呈球形的其它原子核上,并预言镭较轻的同位素相比其较重的同位素会显示出更加明显的“梨形”特征。然而现在的实验观测已经证明镭224的梨形特征程度要比镭226更小,这与“群模型”给出的预言相反,这就让这一模型的正确性受到了质疑。另一个名为“平均场模型”的理论,其与实际观测结果更加接近,尽管仍然并不完美。在目前这一阶段还无法非常明确的断言某一理论的正确或谬误,因为现有的设备还不允许进行非常明确的实验检验,但是巴特勒和他的科研组正翘首以盼,等待预计于2015年建成的欧洲核子中心新型的“HIE-ISOLDE”设备投入使用后尽快着手进行这样的验证性实验观测。这台新型设备拥有更高的能级和强度。

  另外一篇近日发表在《物理评论快报》上的文章则指出了对于处理不同类型原子核所需要的不同数学模型。而在欧洲核子中心的ISOLDE,一个由德国海登堡马克斯普朗克研究所物理学家德杨·约达诺夫(Deyan Yordanov)领衔的研究组正在对镉离子发出的紫外辐射光谱开展研究,其原子核的形状会对这一现象的结果产生轻微影响。

  镉原子核几乎是圆形的,但是这一研究组发现一个将原子核理解为层层叠加的壳层结构的模型可以精确预测其原子核发生的轻微变形。然而巴特勒也表示这种简单化的描述模型对于他发现的镭同位素的梨形原子核却无法进行描述。

  更让人感到惊奇不已的是,这项实验还能揭示一些最基础的物理学原理。粒子物理学的基石,描述强作用力,弱作用力以及电磁力的标准模型中还有一些悬而未决的问题。举例而言,它无法解释为何在宇宙中物质的量要比反物质更多。如果物质和反物质的行为是相同的,那么在宇宙最初诞生的几秒之内物质和反物质便早就已经相互湮灭而消亡殆尽,留下的只有辐射。

  几个试图代替标准模型的理论可以解释这种神秘的物质存在问题。这些理论也同时预言一些原子核会产生很弱的电子偶极磁场,就像条形磁铁所表现出来的磁场那样。如果这一观点得到证实,那么梨形原子核可能将拥有最强的电子偶极磁场,而这一结果的最终给定将帮助物理学家们判断那些与标准模型并驾齐驱的宏伟理论的真伪。最近的实验结果显示镭同位素的原子似乎是寻找这种电子偶极磁场的不错对象,而其它一些原子,如钍和铀的同位素原子核则可能更加理想。

  英国曼彻斯特大学物理学家加温·史密斯(Gavin Smith)表示:“我相信这一研究最终将在更广阔的范围内产生影响,而不会仅仅局限在这一实验本身。因为它提供的结果将有望对粒子标准模型进行限定。”

责任编辑: 房小葵
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