对称感悟体会VIP免费

大自然喜欢对称。示例的大小范围很广，从宏观物体（例如蜘蛛网或蜂窝）到微观世界，其原子在分子中的排列或原子核周围的电子的排列。对称性也存在于原子核水平，但在《自然》杂志的一篇论文中，霍夫等人。1报告了一种打破它的方法。子核由两种不同类型的粒子组成-质子和中子-如果我们忽略质子上的电荷，则它们是如此相似，以至于它们通常被视为单个粒子，即核子。因此，其中中子和质子数量已交换的原子核的镜像对具有相似的性质。特别是，镜像对的核态的能量顺序应该是相同的，从其中核子处于最低可能能级的基态到增加能量的激发态2。然而，先前已经观察到镜子伴侣3的激发态该顺序的变化。霍夫和他的同事们现在报告了在约束核基态水平上镜像对称性的破坏（图1）。他们报告说，镜像伙伴溴73和锶73的基“”态不仅是质子和中子交换了的镜像，而且质子和中子的结构也不同。这种差异如何产生？当今已知的最基本的物质构建体是夸克，其中有六种类型。质子和中子都是由三个夸克构成的，它们之间最重要的区别是它们的不同夸克组合使质子的电荷为+1，而中子最终变为中性。在原子核中将核子结合在一起的强核相互作用在质子和中子之间基本相同。但是，对于质子，带相同电荷的粒子之间的排斥力加在一起。当构建两个镜像对称的原子核时，一个带有Z质子和N个中子，另一个带有N质子和Z中子，这种排斥会为具有更多质子的原子核增加额外的整体能量（质量），但不会改变质子和中子的排列。这种对称性解释了为什么镜像伙伴的几个属性几乎完全相同：形状相同；兴奋时（即添加能量时）的行为；以及衰变过程的性质，不稳定核通过该过程通过发射粒子或辐射而失去能量。为了确定诸如能级之类的核特性，将能量泵入一个原子核（例如，通过使其与另一个原子核碰撞），并观察到衰变过程，其中从所得的受激原子核发出γ射线。先前观察到的镜像伙伴的激发态的能级顺序中的差异3特别是在更高的激发能下发生，其中态的密度增加（即，相邻态彼此靠近）。能级的这种差异表明镜面对称只是近似的，在特定情况下可能会破裂。先前仅对一对镜像核，氮16和氟16观察到了核基态的不同结构4。但是，在那种情况下，两个伙伴之一（氟16）不受约束-也就是说，质子之间的排斥力大于强大核力的吸引力。因此，它通过在10–20秒5内发射质子而迅速衰减，这与核子穿过核子的时间相当。但是，氮气16更稳定，半衰期约为7秒6。因此，可以通过一个伙伴的无约束性来解释镜射差异。霍夫等。结果表明，溴73和锶73的情况是不同的，因为它们都是长寿且准稳定的。为了打破镜像的对称性，自然必须发挥作用：这两个原子核的基态在能量上非常接近它们各自的第一个激发态。因此，通过交换两个原子核之一中的基态和第一激发态，可以违反仅是近似对称的镜像对称。溴73的性质已被很好地表征了50年7，而关于锶73的信息却是有限的：我们对其半衰期有一个粗略的值8，并且知道其最强的衰变模式9。。霍夫及其同事的研究的独创性在于，作者并未直接研究锶73的性质，而是通过其连续的两次放射性衰变：第一个衰变是通过发射β粒子而产生的，并在其中产生特定状态。子核rub73随质子发射立即衰变产生to72。观察到的质子发射特性使作者能够推断出7373中质子发射态的结构，并由此推断出锶73基态的结构。结果使表征自旋的核特性得以表征，并揭示了一些出乎意料的东西。锶73的基态结果不像溴73的基态那样具有1/2的自旋，而是具有5/2的自旋，这对应于其镜伴侣的第一个激发态。因此，现在已经证明在对称核基态中镜像对称性被破坏了。破坏镜像对称性是否对我们对原子核结构的理解造成了灾难？一点也不。偏离预期挑战了我们对核结构的了解，并使核科学家可以微调其模型来描述原子核。作为霍夫等。如图所示，观察到的镜像对称破坏可能是由两个相互竞争的核形状（扁球形（橄榄球）和扁球形（圆盘））的存在触发的。两种结构都使原子核具有大致相同的能量和质量。这两个形状可以混合，并且由于两个原子核的混合程度不同，可能会导致溴73和锶73对称性破坏。有趣的是，是否可以找到其他破坏基态镜像对称的情况。似乎没有其他候选核的核子数量与溴73和锶73相似，因为尚不知道第一个...