亚原子微粒抽象例证(储蓄图象)。 |  图片来源:©Peter Jurik / stock.adobe.com

亚原子微粒抽象例证(储蓄图象)。图片来源:©Peter Jurik / Adobe Stock

萨塞克斯大学的科学家已经比以往任何时候都更加精确地测量了中子的特性-中子是宇宙中的基本粒子。他们的研究是对宇宙中为什么还有剩余物质的调查的一部分,也就是说,为什么宇宙大爆炸中产生的所有反物质不只是消除了物质。

该团队-包括英国科学技术设施委员会(STFC)的卢瑟福·阿普尔顿实验室,瑞士的Paul Scherrer研究所(PSI)以及许多其他机构,都在研究中子的行为是否类似于一个“电子罗盘”。中子的形状被认为是不对称的,在一端为正,而在另一端为负-有点像条形磁铁的等效电。这就是所谓的“电偶极矩”(EDM),也是团队所寻找的。

这是物质为何仍留在宇宙之谜中的一个重要谜题,因为关于物质为何剩余的科学理论还预测中子或多或少具有“电罗盘”性质。然后对其进行测量,可以帮助科学家更深入地了解物质为何仍然存在。

物理学家团队发现,中子的EDM远小于关于物质为何留在宇宙中的各种理论所预测的。这使得这些理论不太可能是正确的,因此必须进行更改或发现新的理论。实际上,在文献中已经说过,多年来,这些EDM测量(作为一个集合)可能比物理学史上的任何其他实验都反驳了更多的理论。结果报告于2020年2月28日星期五在《物理评论快报》上发表

萨塞克斯大学数学与物理科学学院院长,EDM小组负责人菲利普·哈里斯教授说:

“经过苏塞克斯大学和其他地方研究人员二十多年的努力,一项旨在解决近五十年来宇宙学中最深刻的问题之一的实验得出了最终结果:即为什么宇宙包含的物质远比反物质多得多,事实上,为什么它现在包含了任何物质,为什么反物质没有消除所有物质呢,为什么还剩下任何物质呢?

“答案与结构不对称有关,它应该出现在中子等基本粒子中。这就是我们一直在寻找的。我们发现,“电偶极矩”比以前认为的要小。这有助于我们排除关于为何遗留物质的理论-因为支配这两件事的理论是相互联系的。

“我们为该实验的灵敏度设定了新的国际标准。我们在中子中寻找的东西-不对称性表明其一端为正,而另一端为负-非常小。我们的实验能够如此详细地进行测量,如果不对称性可以扩大到足球的大小,那么按相同数量放大的足球将填充可见的宇宙。”

该实验是苏塞克斯大学和卢瑟福·阿普尔顿实验室(RAL)的研究人员最初设计的仪器的升级版,从1999年至今一直保持着世界敏感性记录。

来自卢瑟福·阿普尔顿实验室(RAL)的中子EDM小组的Maurits van der Grinten博士说:

“实验结合了需要同时执行的各种最新技术。我们很高兴,由RAL科学家开发的设备,技术和专业知识为推动限制这一重要参数的工作做出了贡献”

萨塞克斯大学数学与物理科学学院物理讲师克拉克·格里菲斯博士说:

“这项实验将原子和低能核物理学的技术融合在一起,包括基于激光的光学磁力测定法和量子自旋操纵技术。通过使用这些多学科工具来极其精确地测量中子的性质,我们能够探究相关的问题。涉及高能粒子物理学和宇宙基本对称性的基本性质。”

50,000次测量

中子可能具有的任何电偶极矩都很小,因此极难测量。其他研究人员先前的测量结果证明了这一点。特别是,该团队必须竭尽全力以在最新测量期间保持局部磁场非常恒定。例如,在研究所旁边道路上行驶的每辆卡车都会对实验产生重大影响的磁场干扰,因此在测量过程中必须对此影响进行补偿。

而且,观察到的中子数量必须足够大,以提供测量电偶极矩的机会。测量持续了两年。测量了所谓的超冷中子,即速度较慢的中子。每300秒,将一束超过10,000个中子引向实验并进行详细检查。研究人员总共测量了50,000个这样的束。

设定了新的国际标准

研究人员的最新结果支持并增强了他们以前的研究成果:制定了新的国际标准。EDM的大小仍然太小,无法用迄今为止已经使用过的仪器进行测量,因此一些试图解释多余物质的理论变得不太可能了。因此,目前仍是个谜。

PSI已在构建下一个更精确的测量。与PSI的合作预计将于2021年开始其下一系列测量。

搜索“新物理学”

新的结果是由来自欧洲和美国18个研究所和大学的一组研究人员根据PSI超冷中子源收集的数据确定的。研究人员在两年内在那里收集了测量数据,并在两个独立的团队中进行了非常仔细的评估,然后能够获得比以往更准确的结果。

该研究项目是对“新物理学”的搜索的一部分,它将超越所谓的“物理学标准模型”,该模型阐明了所有已知粒子的特性。这也是大型设施(例如CERN的大型强子对撞机(LHC))进行实验的主要目标。

最初为1950年代首次进行EDM测量而开发的技术导致了原子钟和MRI扫描仪等世界变化的发展,直到今天,它在粒子物理学领域仍保持着巨大而持续的影响。