中子电偶极矩

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

理论

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，则宇称对称性和时间对称性（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，这两种矢量的方向必需相同。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。

弱相互作用

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。实验者已经在弱相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： $|p_{n}|\sim 10^{-32}\ e\ \mathrm {cm}$ ^[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

未解决的物理学问题：为什么宇宙中的物质比反物质多很多？

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，这意味着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。

强相互作用

未解决的物理学问题：为什么强核作用力具有CP不变性？

由于中子是由三个夸克组成的，中子会遭受到源于强相互作用的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。这项目的强度是以角 $\theta$ 表达。现在的中子电偶极矩极限值要求 $\theta <10^{-10}\mathrm {rad}$ 。但是，科学家认为 $\theta$ 的数量级应该是1；这关于角 $\theta$ 的精细调整（fine-tuning），称为“强CP问题”。

超对称CP问题

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 $10^{-25}\ e\ \mathrm {cm}$ 与 $10^{-28}\ e\ \mathrm {cm}$ 之间^[5]^[6]。如同强相互作用案例，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

应用拉姆齐磁共振技术，将互相平行与反平行的磁场与电场施加于中子，然后测量其自旋的拉莫尔进动频率。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： $h\nu =2\mu _{n}B\pm 2d_{n}E$ ；

其中， $h$ 是普朗克常数， $\nu$ 是进动频率， $\mu _{n}$ 是中子磁偶极矩， $B$ 是磁场， $d_{n}$ 是中子电偶极矩， $E$ 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： $p_{n}={\frac {h\Delta \nu }{4E}}$ 。

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

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·珀塞尔和诺曼·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 $|p_{n}|<5\times 10^{-20}\ e\ \mathrm {cm}$ ^[7]。一直到1977年，中子电偶极矩实验都是使用中子束。随着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 $|p_{n}|<3\times 10^{-24}\ e\ \mathrm {cm}$ ^[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 $|p_{n}|<1.6\times 10^{-24}\ e\ \mathrm {cm} \ (C.L90\%)$ ^[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 $|p_{n}|<2.9\times 10^{-26}\ e\ \mathrm {cm} \ (90\%C.L.)$ 。这是至今为止最佳的结果。

近期实验

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 $10^{-28}\ e\ \mathrm {cm}$ 。这样，可以涵盖标准模型超对称延伸的预测值域。

[1] 劳厄-朗之万研究院正在准备低温中子电偶极矩实验。
[2]（页面存档备份，存于互联网档案馆）保罗·谢勒研究院（Paul Scherrer Institute）正在为新建成的超冷中子源建造中子电偶极矩实验。
[3] 橡树岭国家实验室的散裂中子源（Spallation Neutron Source）正在筹画中子电偶极矩实验。
[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）正在设计规划的中子电偶极矩实验。

参见

电偶极矩
电子电偶极矩（electron electric dipole moment）

注释

^ 时间反演变换将 $t$ 改变为 $-t$ 。一个载流循环的磁偶极矩 ${\boldsymbol {\mu }}$ 是其所载电流 $I$ 乘于循环面积 $\mathbf {a}$ ，以方程表示为 ${\boldsymbol {\mu }}=I\mathbf {a} ={\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}\mathbf {a}$ 。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，电荷量和位移矢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。
^ 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。电偶极矩是极矢量（polar vector），而磁偶极矩是轴矢量（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

^ 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.
^ Dar, S. The Neutron EDM in the SM : A Review. 2000. arXiv:hep-ph/0008248  |class=被忽略 (帮助).
^ 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）
^ Bigi, I. I.; Sanda, Ichiro, CP violation illustrated, Cambridge University Press: pp. 355ff, 2000, ISBN 9780521443494
^ 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
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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

华盛顿大学物理系网页：寻找永久原子电偶极矩。

[2] 时间反演变换将 $t$ 改变为 $-t$ 。一个载流循环的磁偶极矩 ${\boldsymbol {\mu }}$ 是其所载电流 $I$ 乘于循环面积 $\mathbf {a}$ ，以方程表示为 ${\boldsymbol {\mu }}=I\mathbf {a} ={\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}\mathbf {a}$ 。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，电荷量和位移矢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。

[3] 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。电偶极矩是极矢量（polar vector），而磁偶极矩是轴矢量（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。

[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.

[4] Dar, S. The Neutron EDM in the SM : A Review. 2000. arXiv:hep-ph/0008248  |class=被忽略 (帮助).

[5] 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）

[6] Bigi, I. I.; Sanda, Ichiro, CP violation illustrated, Cambridge University Press: pp. 355ff, 2000, ISBN 9780521443494

[7] 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

[8] 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.

[9] 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.

[10] 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.

[11] 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.

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[注 1]

[注 2]

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