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电子非常圆?新的实验测量表明,电子电偶极矩接近于零

科学探索万象经验2023-07-07

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。