物理學家之前認為,原子核內質子和中子是兩種相近的粒子,因此質子數量和中子互換的原子核應該具有類似的特性。但是新實驗發現,它們的特性並不相同。物理學家表示,這項發現將改變物理學對原子核的認知。

原子是科學家現在能觀測到的、組成物質的較小的結構單元。每個原子內,電子圍繞著原子核運轉,原子核帶正電荷、電子帶負電荷。電子的質量非常小,每個原子的大部份質量幾乎都在原子核上。原子核又由帶電的質子和不帶電的中子構成。

含有不同質子數量的原子就是元素周期表上不同的物質,而對於有著相同數量質子,不同數量中子的原子,就是這種元素的同位素。

麻薩諸塞大學洛厄爾分校(University of Massachusetts Lowell)主導的一項研究,在實驗室內造出一種奇異的原子核。該項目得到美國能源部120萬美元資金,在位於密歇根州立大學的國家超導迴旋加速器實驗室(NSCL)內進行。

研究人員在實驗室內將原子核加速到接近光速後撞碎,產生罕見的鍶-73同位素。這種同位素含有38個質子和35個中子,在地球環境下不存在,但是在中子星表面發生的X射線爆中可以維持幾分之一秒的時間。中子星是大型恆星爆炸後的一種高密度殘骸。

研究人員稱,大約每半個小時,加速器就能產生一個鍶-73原子核,通過該設備的同位素分揀器送到一個複雜的檢測裝置上並使它們靜止下來,供研究人員觀測它的屬性。

這項實驗不間斷地運行了8天,研究組造出了400多個鍶-73原子核,把它們與具有35個質子、38個中子的溴-73同位素原子核對比。

物理學家把質子數量和中子數量互換的原子核稱為「對稱夥伴」。物理學家認為,質子和中子是幾乎相同的粒子,因此這類「對稱夥伴」原子核應該具有很相似的特性。

通過研究它們的放射性衰變,研究人員發現鍶-73和溴-73的特性完全不同。主要研究者之一羅傑斯(Andrew Rogers)說,這項發現對核子力的認知提出了全新的疑問。

「鍶-73和溴-73在結構上應該完全相同,但出乎意料的是,它們並不相同。探測自然界中物質的對稱性是物理學研究的一個有力的工具。當對稱性被打破的時候,這意味著我們的認知有錯誤,必須進一步研究。」

這份研究的主要作者霍夫(Daniel Hoff)說,這項發現將挑戰核子理論。

「把鍶-73和溴-73的原子核做對比,就像照鏡子卻認不得鏡中的自己。當我們確信看到情況的真實性,我們很激動。」霍夫說。

負責理論計算的合作研究員納扎魯維奇(Witold Nazarewicz)說,這項研究為了解稀有同位素提供了難得的機會。「隨著明年稀有同位素束設施(FRIB)的啟用,將為對稱核子的研究提供更多線索。」

這份研究近期發表在《自然》(Nature)期刊上。◇