改变镭核中的中子数（灰色球）会改变一氟化镭（RaF）分子的能级。通过使用不同的激光（蓝色和红色波浪线）可以测量出微小的变化。图片来源：第一作者、麻省理工学院Silviu-Marian Udrescu
一个国际研究小组首次测量了镭核的大小如何改变含有不同镭同位素的分子结构。这项研究使用了欧洲核子组织（CERN）放射性离子束设施——上线同位素质量分离器（ISOLDE）的激光和离子阱的组合。研究团队研究了一氟化镭（RaF）分子的量子结构。
量子结构决定了能级以及这些能级在不同条件下如何变化。来自美国、德国、英国、瑞士等国的联合研究团队预测，一氟化镭RaF分子对于研究自然界中某些基本对称的破坏是有用的。当一个镭原子核被另一种同位素取代时，研究小组测量了电子能级的变化。这证明了这些分子对近距离电子和原子核的相互作用的极端敏感性。
精确测量能级和修改分子原子核中中子数量的能力为研究开辟了新的方向。宇宙大爆炸应该创造出等量的物质和反物质。基本对称的违背可以解释为什么宇宙中的物质比反物质多。含有重元素同位素（如镭）的放射性分子是研究这些基本对称破坏的理想材料。
科学家相信，该实验进展可以用于研究在超新星和其他恒星爆炸中产生的其他放射性分子。但有限的观测工具阻碍了他们在太空中的识别。因此，放射性分子的实验室研究将有助于指导未来的天体物理观测。
放射性分子有望在基础物理和化学前沿领域带来令人兴奋的新机遇。然而，它们在自然界中非常罕见，有些在自然界中根本就不存在。这意味着它们必须在专门设施中人工制造。此外，它们的寿命可能只有几天或几分之一秒，所以研究它们需要极其灵敏的实验技术。
美国能源部的一个设施——稀有同位素束设施（FRIB）将于2022年开始运行，它将为获取含有最重元素同位素的分子提供独特的途径。该设施当前技术的未来发展将为基础物理学的发现提供一个新的平台。这将促进对自然基本对称的理解，以及对化学和重元素的核结构的理解。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.033001
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