中子電偶極矩

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中子電偶極矩衡量中子內部正電荷與負電荷的分佈。只有當正電量心與負電量心不重疊在同一位置時,電偶極矩才不等於零。至今為止,科學家尚未發現中子電偶極矩的蛛絲馬跡。現在中子電偶極矩的最準確上限為|p_n| < 2.9\times 10^{ - 26}\ e\ \mathrm{cm}\ (90%C.L.) [1]

理論[编辑]

由於內稟電偶極矩而產生的宇稱(P)破壞和時間反演(T)破壞。

假設基本粒子擁有內稟電偶極矩,則宇稱對稱性時間對稱性time symmetry)都會被破壞。舉例而言,思考中子的磁偶極矩和假定的電偶極矩,這兩種向量的方向必需相同。但是,時間反演(T)會逆反磁偶極矩的方向,不會改變電偶極矩的方向[註 1];空間反演(宇稱)會逆反電偶極矩的方向,不會改變磁偶極矩的方向[註 2]。電偶極矩的存在破壞了這些對稱性。假定CPT對稱性CPT symmetry)正確無誤,則時間破壞也促使CP對稱性被破壞。

弱交互作用[编辑]

按照前面論述,為了營造有限值電偶極矩,必需先存在有破壞CP對稱性的理論程序。實驗者已經在弱交互作用的實驗中觀測到CP破壞,也已經能夠用標準模型的卡比博-小林-益川矩陣中的CP破壞相位來解釋CP破壞。但是,這解釋所獲得的CP破壞數值非常微小,因此對於電偶極矩的貢獻也微乎其微: |p_n| \sim 10^{-32} \ e\ \mathrm{cm} [2]。遠遠低於現在最精密實驗所能測量到的數值。電偶極矩實驗可以用來核對很多從標準模型延伸的嶄新理論,例如如最小超對稱標準模型minimal supersymmetric standard model)、左右對稱模型left-right symmetric model)等等。這些理論估計的電偶極矩數值在可核對值域內。

物質與反物質不對稱[编辑]

未解決的物理學問題為什麼宇宙中的物質比反物質多很多? Question mark2.svg

從宇宙的物質與反物質不對稱現象,科學家覺得在大爆炸的初期,可能會有某種涉及CP破壞的機制,湮滅了大部分的反物質。安德烈·薩哈羅夫對於這過程做了很縝密的分析[3]。科學家懷疑CP破壞的涉及程度很大,這意味著或許標準模形給出的電偶極矩過低,可能需要加以延伸[4]。假若,測量到的電偶極矩數值能夠比標準模型預測值高很多,則這懷疑的正確性就可以得到合理解釋。

強交互作用[编辑]

未解決的物理學問題為甚麼強核作用力具有CP不變性? Question mark2.svg

由於中子是由三個夸克組成的,中子會遭受到源於強交互作用的CP破壞。量子色動力學──描述強作用力的學術領域──自然地含有一個摧毀CP對稱性的項目。這項目的強度是以\theta表達。現在的中子電偶極矩極限值要求\theta<10^{-10}\mathrm{rad}。但是,科學家認為\theta的數量級應該是1;這關於角\theta精細調整fine-tuning),稱為「強CP問題」。

超對稱CP問題[编辑]

標準模型的超對稱延伸,例如最小超對稱標準模型minimal supersymmetric standard model),通常會導致出很大的CP破壞。這理論對於中子電偶極矩的典型預測值域大約在10^{ - 25}\ e\ \mathrm{cm}10^{ - 28}\ e\ \mathrm{cm}之間[5][6]。如同強交互作用案例,中子電偶極矩的上限已經在局限著CP破壞相位;但是,需要實施的精細調整還不很嚴峻。

實驗方法[编辑]

應用拉姆齊磁共振技術,將互相平行與反平行的磁場電場施加於中子,然後測量其自旋拉莫爾進動頻率。這是萃取中子電偶極矩的一種優良實驗方法。兩種案例的進動頻率分別為 : h\nu = 2\mu_n B \pm 2d_n E

其中,h普朗克常數\nu是進動頻率,\mu_n是中子磁偶極矩,B是磁場,d_n是中子電偶極矩,E是電場。

磁偶極矩環繞磁場的進動與電偶極矩環繞電場的進動,這兩種進動造成了頻率的增加或減少。從這兩種頻率的差值,可以立刻得到對於中子電偶極矩的衡量:  p_n = \frac{h\Delta\nu}{4E}

這實驗遭遇到的最大挑戰(同時是最大的系統性偽效應),在做測量時,磁場必需維持穩定不變。

歷史[编辑]

各種實驗得到的中子電偶極矩測量值的上限。標準模型和其超對稱延伸的預測值域分別以淡藍色、黃色表示。

最早尋找中子電偶極矩的實驗是使用熱中子束(後來改為冷中子束)做測量。於1957年,J. H. Smith、愛德華·珀塞爾諾曼·拉姆齊共同發表論文,宣告完成中子電偶極矩實驗,獲得上限為|p_n| < 5\times 10^{ - 20}\ e\ \mathrm{cm} [7]。一直到1977年,中子電偶極矩實驗都是使用中子束。隨著中子束的中子速度增加,一些相關的系統性效應變得無法克服,使用這方法獲得的最後上限為|p_n| < 3\times 10^{ - 24}\ e\ \mathrm{cm} [8]

之後,中子電偶極矩實驗改使用儲存於冷阱內的超冷中子ultracold neutron)。於1980年,列寧格勒核子物理研究院Leningrad Nuclear Physics Institute)獲得上限為|p_n| < 1.6\times 10^{ - 24}\ e\ \mathrm{cm}\ (C.L 90%) [9]。使用水銀原子磁強計atomic mercury magnetometer)補償磁場,勞厄-朗之萬研究院Institut Laue-Langevin)的研究團隊,於2006年,獲得上限|p_n| < 2.9\times 10^{ - 26}\ e\ \mathrm{cm}\ (90%C.L.)。這是至今為止最佳的結果。

近期實驗[编辑]

現在,至少有四組實驗團隊致力於測量中子電偶極矩,目標是在十年內將靈敏度改進至10^{ - 28}\ e\ \mathrm{cm}。這樣,可以涵蓋標準模型超對稱延伸的預測值域。

参见[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ 時間反演變換將t改變為 - t。一個載流迴圈的磁偶極矩\boldsymbol{\mu}是其所載電流I乘於迴圈面積\mathbf{a},以方程式表示為\boldsymbol{\mu}=I\mathbf{a}=\frac{\mathrm{d} q}{\mathrm{d} t}\mathbf{a}。注意到電流是電荷量對於時間的導數,所以,時間反演會逆反磁偶極矩的方向。電偶磁矩的兩個參數,電荷量和位移向量都跟時間反演無關,所以,時間反演不會改變電偶極矩的方向。
  2. ^ 空間反演(宇稱)變換是粒子位置坐標對於參考系原點的反射。電偶極矩是極向量polar vector),而磁偶極矩是軸向量axial vector),所以,空間反演(宇稱)會逆反電偶極矩的方向,不會改變磁偶極矩的方向。

參考文獻[编辑]

  1. ^ Baker, C. A.; et al. Improved Experimental Limit on the Electric Dipole Moment of the Neutron. Physical Review Letters. 2006, 97: 131801. doi:10.1103/PhysRevLett.97.131801. 
  2. ^ Dar, S.. The Neutron EDM in the SM : A Review. arXiv:hep-ph/0008248 [hep-ph]. 2000. 
  3. ^ 薩哈羅夫, 安德烈, Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe, JETP Letters. 1967, 5 (1): pp.24-27 
  4. ^ Bigi, I. I.; Sanda, Ichiro, CP violation. illustrated, Cambridge University Press. 2000:  pp. 355ff, ISBN 9780521443494 
  5. ^ Abel, S.; Khalil, S.; Lebedev, O., EDM constraints in supersymmetric theories, Nuclear Physics B. 2001, 606: 151, doi:10.1016/S0550-3213(01)00233-4 
  6. ^ Pospelov, M.; Ritz, A. Electric dipole moments as probes of new physics. Annals of Physics. 2005, 318: 119. doi:10.1016/j.aop.2005.04.002. 
  7. ^ Smith, J. H.; Purcell, E. M.; Ramsey, N. F. Experimental Limit to the Electric Dipole Moment of the Neutron. Physical Review. 1957, 108: 120. doi:10.1103/PhysRev.108.120. 
  8. ^ Dress, W. B.; et al. Search for an electric dipole moment of the neutron. Physical Review D. 1977, 15: 9. doi:10.1103/PhysRevD.15.9. 
  9. ^ Altarev, I. S.; et al. A search for the electric dipole moment of the neutron using ultracold neutrons. Nuclear Physics A. 1980, 341: 269. doi:10.1016/0375-9474(80)90313-9. 

外部連結[编辑]