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中子电偶极矩

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中子电偶极矩衡量中子内部正电荷与负电荷的分布。只有当正电量心与负电量心不重叠在同一位置时,电偶极矩才不等于零。至今为止,科学家尚未发现中子电偶极矩的蛛丝马迹。现在中子电偶极矩的最准确上限为 [1]

理论

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由于内禀电偶极矩而产生的宇称(P)破坏和时间反演(T)破坏。

假设基本粒子拥有内禀电偶极矩,则宇称对称性时间对称性time symmetry)都会被破坏。举例而言,思考中子的磁偶极矩和假定的电偶极矩,这两种向量的方向必需相同。但是,时间反演(T)会逆反磁偶极矩的方向,不会改变电偶极矩的方向[注 1];空间反演(宇称)会逆反电偶极矩的方向,不会改变磁偶极矩的方向[注 2]。电偶极矩的存在破坏了这些对称性。假定CPT对称性CPT symmetry)正确无误,则时间破坏也促使CP对称性被破坏。

弱交互作用

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按照前面论述,为了营造有限值电偶极矩,必需先存在有破坏CP对称性的理论程序。实验者已经在弱交互作用的实验中观测到CP破坏,也已经能够用标准模型的卡比博-小林-益川矩阵中的CP破坏相位来解释CP破坏。但是,这解释所获得的CP破坏数值非常微小,因此对于电偶极矩的贡献也微乎其微: [2]。远远低于现在最精密实验所能测量到的数值。电偶极矩实验可以用来核对很多从标准模型延伸的崭新理论,例如如最小超对称标准模型minimal supersymmetric standard model)、左右对称模型left-right symmetric model)等等。这些理论估计的电偶极矩数值在可核对值域内。

物质与反物质不对称

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从宇宙的物质与反物质不对称现象,科学家觉得在大爆炸的初期,可能会有某种涉及CP破坏的机制,湮灭了大部分的反物质。安德烈·萨哈罗夫对于这过程做了很缜密的分析[3]。科学家怀疑CP破坏的涉及程度很大,这意味著或许标准模形给出的电偶极矩过低,可能需要加以延伸[4]。假若,测量到的电偶极矩数值能够比标准模型预测值高很多,则这怀疑的正确性就可以得到合理解释。

强交互作用

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由于中子是由三个夸克组成的,中子会遭受到源于强交互作用的CP破坏。量子色动力学──描述强作用力的学术领域──自然地含有一个摧毁CP对称性的项目。这项目的强度是以表达。现在的中子电偶极矩极限值要求。但是,科学家认为的数量级应该是1;这关于角精细调整fine-tuning),称为“强CP问题”。

超对称CP问题

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标准模型的超对称延伸,例如最小超对称标准模型minimal supersymmetric standard model),通常会导致出很大的CP破坏。这理论对于中子电偶极矩的典型预测值域大约在之间[5][6]。如同强交互作用案例,中子电偶极矩的上限已经在局限著CP破坏相位;但是,需要实施的精细调整还不很严峻。

实验方法

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应用拉姆齐磁共振技术,将互相平行与反平行的磁场电场施加于中子,然后测量其自旋拉莫尔进动频率。这是萃取中子电偶极矩的一种优良实验方法。两种案例的进动频率分别为 :

其中,普朗克常数是进动频率,是中子磁偶极矩,是磁场,是中子电偶极矩,是电场。

磁偶极矩环绕磁场的进动与电偶极矩环绕电场的进动,这两种进动造成了频率的增加或减少。从这两种频率的差值,可以立刻得到对于中子电偶极矩的衡量:

这实验遭遇到的最大挑战(同时是最大的系统性伪效应),在做测量时,磁场必需维持稳定不变。

历史

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各种实验得到的中子电偶极矩测量值的上限。标准模型和其超对称延伸的预测值域分别以淡蓝色、黄色表示。

最早寻找中子电偶极矩的实验是使用热中子束(后来改为冷中子束)做测量。于1957年,J. H. Smith、爱德华·珀塞尔诺曼·拉姆齐共同发表论文,宣告完成中子电偶极矩实验,获得上限为 [7]。一直到1977年,中子电偶极矩实验都是使用中子束。随著中子束的中子速度增加,一些相关的系统性效应变得无法克服,使用这方法获得的最后上限为 [8]

之后,中子电偶极矩实验改使用储存于冷阱内的超冷中子ultracold neutron)。于1980年,列宁格勒核子物理研究院Leningrad Nuclear Physics Institute)获得上限为 [9]。使用水银原子磁强计atomic mercury magnetometer)补偿磁场,劳厄-朗之万研究院Institut Laue-Langevin)的研究团队,于2006年,获得上限。这是至今为止最佳的结果。

近期实验

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现在,至少有四组实验团队致力于测量中子电偶极矩,目标是在十年内将灵敏度改进至。这样,可以涵盖标准模型超对称延伸的预测值域。

参见

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注释

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  1. ^ 时间反演变换将改变为。一个载流回圈的磁偶极矩是其所载电流乘于回圈面积,以方程式表示为。注意到电流是电荷量对于时间的导数,所以,时间反演会逆反磁偶极矩的方向。电偶磁矩的两个参数,电荷量和位移向量都跟时间反演无关,所以,时间反演不会改变电偶极矩的方向。
  2. ^ 空间反演(宇称)变换是粒子位置坐标对于参考系原点的反射。电偶极矩是极向量polar vector),而磁偶极矩是轴向量axial vector),所以,空间反演(宇称)会逆反电偶极矩的方向,不会改变磁偶极矩的方向。

参考文献

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  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. 2000. arXiv:hep-ph/0008248可免费查阅 |class=被忽略 (帮助). 
  3. ^ 萨哈罗夫, 安德烈, Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe, JETP Letters, 1967, 5 (1): pp.24–27 [2011-02-15], (原始内容存档于2019-07-21) 
  4. ^ Bigi, I. I.; Sanda, Ichiro, CP violation illustrated, Cambridge University Press: pp. 355ff, 2000, 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. 

外部链接

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