电子非常圆？新的实验测量表明，电子电偶极矩接近于零

一篇最新发表在《科学》杂志上的论文，题目是《An improved bound on the electron’s electric dipole moment》。这篇论文报告了对电子电偶极矩的最精确的测量，对探索新物理有重要的意义。那么，什么是电子电偶极矩呢？为什么我们要测量它呢？测量方法又是什么呢？这些问题我将在下面一一解答。

电子电偶极矩是一个描述电子内部电荷分布不对称性的物理量。如果电子是一个完美的点粒子，那么它的电荷分布就是对称的，没有电偶极矩。但如果电子有一个内部结构，那么它的电荷分布就可能不对称，有一个沿着自旋方向的电偶极矩。

测量电子电偶极矩不仅可以探索电子的内部结构，还可以探索新物理。为什么呢？因为电子电偶极矩与时间反演对称性（T对称性）有关。T对称性是指如果我们把时间倒过来，物理规律不变。比如说，如果我们把一个β衰变过程倒过来播放，我们会发现衰变出来的中微子和反中微子的自旋方向发生了改变，这个过程就违反了T对称性。

在量子场论中，有一个定理叫做CPT定理，它说的是任何一个物理系统都满足CPT对称性，也就是说，如果我们同时对一个系统进行电荷共轭、空间反射和时间反演，那么物理规律不会改变。所以，如果我们假设CPT定理成立，那么我们就可以推出T违反等价于CP违反。在T对称性被破坏的情况下，物理系统就会区分左右手坐标系，也就会产生一个与自旋方向相关的物理量——电偶极矩。

那么，T对称性为什么会被破坏呢？这就涉及到了我们宇宙中的一个重大谜团：为什么物质比反物质多？我们知道，在大爆炸之后，宇宙中应该有相等数量的物质和反物质，它们相互湮灭，只留下一些光子。但是，我们观察到的宇宙却是由物质主导的，反物质几乎没有。这意味着，在宇宙的早期，物质和反物质之间有一些不对称的过程，导致了物质的优势。

这些不对称的过程必然违反了T对称性，也就是说，如果我们把时间倒过来，物质和反物质的行为就会不一样。那么，这些不对称的过程是什么呢？我们目前还不知道。我们只知道，在标准模型中，T对称性是被破坏的，但是破坏程度太小，不能解释宇宙中的物质反物质不平衡。所以，我们需要寻找一些超出标准模型的新物理理论，来解释这个谜团。