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
×
10
−
26
e
c
m
(
90
%
C
.
L
.
)
{\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。
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:
|
p
n
|
∼
10
−
32
e
c
m
{\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
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·萨哈罗夫 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
θ
{\displaystyle \theta }
表達。現在的中子電偶極矩極限值要求
θ
<
10
−
10
r
a
d
{\displaystyle \theta <10^{-10}\mathrm {rad} }
。但是,科學家認為
θ
{\displaystyle \theta }
的數量級應該是1;這關於角
θ
{\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
10
−
25
e
c
m
{\displaystyle 10^{-25}\ e\ \mathrm {cm} }
與
10
−
28
e
c
m
{\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
:
h
ν
=
2
μ
n
B
±
2
d
n
E
{\displaystyle h\nu =2\mu _{n}B\pm 2d_{n}E}
;
其中,
h
{\displaystyle h}
是普朗克常數 ,
ν
{\displaystyle \nu }
是進動頻率,
μ
n
{\displaystyle \mu _{n}}
是中子磁偶極矩,
B
{\displaystyle B}
是磁場,
d
n
{\displaystyle d_{n}}
是中子電偶極矩,
E
{\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:
p
n
=
h
Δ
ν
4
E
{\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
|
p
n
|
<
5
×
10
−
20
e
c
m
{\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
|
p
n
|
<
3
×
10
−
24
e
c
m
{\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
|
p
n
|
<
1.6
×
10
−
24
e
c
m
(
C
.
L
90
%
)
{\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
|
p
n
|
<
2.9
×
10
−
26
e
c
m
(
90
%
C
.
L
.
)
{\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
10
−
28
e
c
m
{\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] (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) 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] (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) 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。
参见
电偶极矩
电子电偶极矩 (electron electric dipole moment )
註釋
時間反演變換將
t
{\displaystyle t}
改變為
−
t
{\displaystyle -t}
。一個載流迴圈的磁偶極矩
μ
{\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}}
是其所載電流
I
{\displaystyle I}
乘於迴圈面積
a
{\displaystyle \mathbf {a} }
,以方程式表示為
μ
=
I
a
=
d
q
d
t
a
{\displaystyle {\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。
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
Bigi, I. I.; Sanda, Ichiro, CP violation illustrated, Cambridge University Press: pp. 355ff, 2000, ISBN 9780521443494
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 .
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