实现迄今最高精度的电子电偶极矩测量 | 量子科话

风云之声 2023-11-11

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美国实验天体物理联合研究所（JILA）的研究团队将电子电偶极矩（eEDM）上界值压缩到4.1×10-30 e·cm，比之前的最好结果提升了2.4倍。这项新的测量意味着，如果将电子的大小比作地球，那么它形状中的任何不对称性都必须小于一个原子的尺度。该成果使得人们能够搜寻新粒子，所覆盖的质量范围可达到比目前大型粒子对撞机所能实现的能量还要高十倍，并可能有助于解释宇宙中正反物质的非对称性。该成果于7月6日发表在《科学》杂志上。

研究论文以《电子电偶极矩的改进界限

(An improved bound on the electron’s

electric dipole moment)》为题

发表于《科学》杂志

大爆炸理论认为，宇宙的初始状态应该以相等数目的物质和反物质形成——它们是彼此的镜像，具有相反的电荷。然而，在我们的宇宙中物质很常见，而反物质却很稀少。理论物理学家提出，某些亚原子粒子的存在可能使得物质占据优势。如果这些粒子存在，它们将在电子周围瞬时地出现和消失，从而使电子呈现出椭球形状。这些粒子的质量巨大，因此产生它们所需的能量也非常庞大，以至于即使在全球最大的粒子加速器——位于日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC），也无法发现它们。这使得对电子球形性质进行高精度探测的研究成为粒子物理学家的重要课题。

Credit: A. Fisher/Science

标准模型与时间反演对称破缺

为了评估电子的形状，研究团队观察了电子在电场中的旋转情况。如果电子不是球形而是稍微偏向一侧（有电偶极矩，eEDM），电场将对其施加扭矩，就像重力使一个竖立的鸡蛋倾倒一样。与原子相比，使用分子可以提高对eEDM的测量精度。为了观察到这种扭矩，研究团队观察了铪氟化物分子（HfF+）的带电能级变化，对电子施加的扭矩将导致分子在相对于电场方向不同的取向下有不同的能级。他们探测了电子的磁矩与分子内电场同向与反向两种构型之间的能级位移，从而得到了eEDM大小的上界为4.1×10-30 e·cm。

这一结果使得研究团队能够搜索质量高达40 TeV的未发现粒子，这是欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机可观测能量的10倍。目前，新的结果没有发现任何隐藏的粒子的痕迹，这仍然没有解开物质为何比反物质更多的谜团。芝加哥大学的物理学家David DeMille表示，“我们仍然面临着关于宇宙中存在着什么奥秘的问题。”

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg4084

报道链接：

https://www.sciencenews.org/article/electron-round-new-measurement-matter-physics