蘇塞克斯大學的Chris Abel和Nick Ayres在中子實驗之前。圖片：Paul Scherrer研究所

科研團隊公佈了中子電偶極矩測量結果，只有統計誤差和系統誤差，似乎仍然測不出來。並且大大低於之前測試所得出的上限值。

蘇塞克斯大學（University of Sussex）的科學家已經比以往任何時候都更加精確地測量了中子的特性，中子是宇宙中的基本粒子。他們的研究是對宇宙中為什麼還有剩餘物質的調查的一部分 -為什麼大爆炸中產生的所有反物質都消失了，而只有正物質保留了下來。

中子

該小組包括英國科學技術設施委員會（STFC）的盧瑟福·阿普爾頓實驗室（Rutherford Appleton Laboratory），瑞士的保羅·謝勒研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）以及許多其他機構。他們正在研究中子的行為是否像“電子羅盤”。中子的形狀被認為是不對稱的，在一端為正，而在另一端為負，這有點像條形磁鐵。這就是所謂的“ 電偶極矩 ”（EDM，electric dipole moment），也是團隊所尋找的。

這是物質為何仍留在宇宙之中的一個重要謎題，因為關於物質為何剩餘的科學理論還預測中子或多或少具有“電子羅盤”性質。對其進行測量，可以幫助科學家更深入地了解物質為何仍然存在。

物理學家團隊發現，中子的EDM遠小於關於物質為何留在宇宙中的各種理論所預測的。這使得這些理論不太可能是正確的，因此必須進行更改或發現新的理論。實際上，在文獻中已經說過，多年來，這些EDM測量可能比物理學史上的任何其他實驗都反駁了更多的理論。結果於2020年2月28日星期五在《物理評論快報》上發表。

蘇塞克斯大學數學與物理科學學院院長，EDM小組負責人菲利普·哈里斯（Philip Harris）教授說：

“經過蘇塞克斯大學和其他研究人員二十多年的努力，從旨在解決過去五十年來宇宙學中最深刻的問題之一的實驗中得出了最終結果：即為什麼宇宙包含的物質遠比反物質多得多？為什麼反物質沒有抵消所有正物質？為什麼還剩下正物質？

“答案與結構不對稱有關，這種不對稱應出現在中子等基本粒子中。這是我們一直在尋找的。我們發現，“電偶極矩”比以前認為的要小。這有助於我們排除一些關於為何留下正物質的理論 - 因為支配這兩件事的理論是相互聯絡的。

“我們為該實驗的靈敏度設定了新的國際標準。我們在中子中尋找的東西 - 表示一端為正而另一端為負的不對稱性 - 很小。我們的實驗能夠如此詳細地進行測量，以使中子的不對稱性可以放大到足球的大小，那麼按相同比例放大的足球將填充可見的宇宙。”

該實驗是蘇塞克斯大學和盧瑟福·阿普爾頓實驗室的研究人員最初設計的儀器的升級版，從1999年至今一直保持著世界敏感性記錄。

來自盧瑟福·阿普爾頓實驗室的中子EDM小組的莫里斯·範·德·格林特（Maurits van der Grinten）博士說：“該實驗結合了所有需要同時執行的各種最先進的技術。我們很高興看到該裝置、技術和RAL科學家開發的專業知識為推動測量這一重要引數的工作做出了貢獻。”

測量中子EDM的裝置。圖片：蘇塞克斯大學

蘇塞克斯大學數學與物理科學學院物理學講師克拉克·格里菲斯博士說：“這項實驗將原子和低能核物理學的技術融合在一起，包括基於鐳射的光學磁力測定法和量子自旋操縱技術。通過使用這些多學科工具來極其精確地測量中子的性質，我們能夠探究相關的問題。涉及高能粒子物理學和宇宙基本對稱性的基本性質。”

50,000次測量

中子可能具有的任何電偶極矩都很小，因此極難測量。其他研究人員先前的測量結果證明了這一點。特別是，該團隊必須竭盡全力以在最新測量期間保持區域性磁場非常恆定。例如，在研究所旁邊道路上行駛的每輛卡車都會對實驗產生重大的磁場干擾影響，因此在測量過程中必須補償這種影響。

另外，觀察到的中子數量必須足夠大，以提供測量電偶極矩的機會。測量持續了兩年。測量了所謂的超冷中子，即速度較慢的中子。每300秒，將一束超過10000箇中子的中子束引向實驗儀器並進行詳細檢查。研究人員總共測量了50000個這樣的束。

設定了新的國際標準

研究人員的最新結果支援並增強了他們以前的研究成果：制定了新的國際標準。EDM的大小仍然太小，無法用迄今為止使用過的儀器進行測量，因此一些試圖解釋多餘物質的理論變得不太可能了。因此，目前仍是個謎。

PSI已在構建下一個更精確的測量。與PSI的合作預計將於2021年開始其下一系列測量。

搜尋“新物理學”

新的結果是由來自歐洲和美國18個研究所和大學的一組研究人員根據PSI的超冷中子源收集的資料確定的。研究人員收集了兩年的測量資料，並在兩個獨立的團隊中進行了非常仔細的評估，然後獲得比以往更準確的結果。

該研究專案是對“新物理學”的探索的一部分，它將超越所謂的“物理學標準模型”，該模型闡明了所有已知粒子的特性。這也是大型設施（例如CERN的大型強子對撞機（LHC））進行實驗的主要目標。

最初為1950年代首次進行EDM測量而開發的技術導致了原子鐘和MRI掃描器等世界變化的發展，直到今天，它在粒子物理學領域仍保持著巨大而持續的影響。