中子電偶極矩

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${\displaystyle |p_{n}|<2.9\times 10^{-26}\ e\ \mathrm {cm} \ (90\%C.L.)}$ ^[1]。

理論

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。

主條目：CP破壞

假設基本粒子擁有內稟電偶極矩，則宇稱對稱性和時間對稱性（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

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：${\displaystyle |p_{n}|\sim 10^{-32}\ e\ \mathrm {cm} }$ ^[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

主條目：重子產生過程

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·沙卡洛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

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。這項目的強度是以角${\displaystyle \theta }$表達。現在的中子電偶極矩極限值要求${\displaystyle \theta <10^{-10}\mathrm {rad} }$。但是，科學家認為${\displaystyle \theta }$的數量級應該是1；這關於角${\displaystyle \theta }$的精細調整（fine-tuning），稱為「強CP問題」。

超對稱CP問題

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${\displaystyle 10^{-25}\ e\ \mathrm {cm} }$與${\displaystyle 10^{-28}\ e\ \mathrm {cm} }$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

應用拉姆齊磁共振技術，將互相平行與反平行的磁場與電場施加於中子，然後測量其自旋的拉莫爾進動頻率。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 ：${\displaystyle h\nu =2\mu _{n}B\pm 2d_{n}E}$；

其中，${\displaystyle h}$是普朗克常數，${\displaystyle \nu }$是進動頻率，${\displaystyle \mu _{n}}$是中子磁偶極矩，${\displaystyle B}$是磁場，${\displaystyle d_{n}}$是中子電偶極矩，${\displaystyle E}$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： ${\displaystyle p_{n}={\frac {h\Delta \nu }{4E}}}$。

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

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·珀塞爾和諾曼·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${\displaystyle |p_{n}|<5\times 10^{-20}\ e\ \mathrm {cm} }$ ^[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${\displaystyle |p_{n}|<3\times 10^{-24}\ e\ \mathrm {cm} }$ ^[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${\displaystyle |p_{n}|<1.6\times 10^{-24}\ e\ \mathrm {cm} \ (C.L90\%)}$ ^[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${\displaystyle |p_{n}|<2.9\times 10^{-26}\ e\ \mathrm {cm} \ (90\%C.L.)}$。這是至今為止最佳的結果。

近期實驗

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${\displaystyle 10^{-28}\ e\ \mathrm {cm} }$。這樣，可以涵蓋標準模型超對稱延伸的預測值域。

• [1] 勞厄-朗之萬研究院正在準備低溫中子電偶極矩實驗。
• [2]（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 保羅·謝勒研究院（Paul Scherrer Institute）正在為新建成的超冷中子源建造中子電偶極矩實驗。
• [3] 橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源（Spallation Neutron Source）正在籌畫中子電偶極矩實驗。
• [4]（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 彼得堡核子物理研究院（Petersburg Nuclear Physics Institute）正在設計規劃的中子電偶極矩實驗。

參見

• 電偶極矩
• 電子電偶極矩（electron electric dipole moment）