追寻物质起源的奥秘：复杂实验运行了两年，以寻找“新物理学”

Paul Scherrer研究所（PSI）的研究人员比以往任何时候都更精确地测量了中子的性质。在此过程中，他们发现基本粒子的电偶极矩比以前假定的要小得多。这样，偶极矩可以帮助解释宇宙中所有物质的起源的可能性也就降低了。研究人员使用PSI的超冷中子源获得了这一结果。他们今天在《物理评论快报》（Physical Review Letters）中报告了他们的结果。

至少根据既定的理论，“大爆炸”既创造了宇宙中的物质，也创造了反物质。但是，由于两人相互ni灭，所以肯定有剩余的物质，这一现象一直延续到今天。物质过多的原因是物理学和天文学的重大奥秘​​之一。研究人员希望借助中子（一种不带电的原子基本构成单元）找到潜在现象的线索。假设：如果中子具有可测量的非零值的所谓电偶极矩（缩写为nEDM），则可能是由于相同的物理原理也可以解释大爆炸之后物质的过量。

PSI粒子物理实验室的科学家Philipp Schmidt-Wellenburg（左）和Georg Bison物理学家在实验前测量中子的基本特性：其电偶极矩。可见的主要是圆形的，由金属薄板制成的同心屏蔽，用于屏蔽外部磁场。

对nEDM的搜索可以用日常语言来表达，这是中子是否是电子罗盘的问题。很久以来就很清楚，中子是一个磁罗盘，会对磁场起反应，或者用技术术语来说：具有磁偶极矩。此外，如果中子也具有电偶极矩，那么它的值将非常小-因此将更加难以测量。其他研究人员先前的测量结果证明了这一点。因此，PSI的研究人员必须竭尽全力以在最新测量期间保持局部磁场非常恒定。在靠近PSI的道路上行驶的每辆卡车都会以与实验相关的规模干扰磁场，因此必须计算该影响并将其从实验数据中删除。

同样，观察到的中子数量必须足够大以提供测量nEDM的机会。因此，PSI的测量持续了两年。测量了所谓的超冷中子，即速度较慢的中子。每300秒，将8秒长的束和10,000多个中子引到实验中并进行检查。研究人员总共测量了50,000个这样的束。

“即使对于拥有大型研究设施的PSI来说，这也是一项相当广泛的研究，” PSI的nEDM项目的研究员Philipp Schmidt-Wellenburg说。“但是，如果我们正在寻找标准模型之外的物理学，那么这正是当今所需要的。”

搜索“新物理学”

新结果由欧洲和美国的18个研究所和大学的一组研究人员确定，包括苏黎世联邦理工学院，伯尔尼大学和弗里堡大学（瑞士）。他们已经在PSI的超冷中子源收集了数据。研究人员在过去两年中收集了测量数据，并在两个小组中进行了非常仔细的评估，从而获得了前所未有的准确结果。

nEDM研究项目是对“新物理学”的探索的一部分，它将超越所谓的“标准模型”。在更大的设施中，例如欧洲核子研究组织的大型强子对撞机大型强子对撞机，也正在寻求这一点。Schmidt-Wellenburg解释说：“ CERN的研究范围很广，通常在寻找新的粒子及其性质。”“另一方面，我们正在深入研究，因为我们只关注一个粒子即中子的性质。作为交换，我们在细节上达到了大型强子对撞机可能仅在100年内达到的精度。”

“最终，”像Schmidt-Wellenburg一样是PSI粒子物理实验室的研究员的Georg Bison说，“宇宙尺度上的各种测量结果都显示出与标准模型的偏差。相反，还没有人能够在实验室中再现这些结果。这是现代物理学中一个非常大的问题，这就是使我们的工作如此令人兴奋的原因。”

计划进行更精确的测量

通过最新的实验，研究人员已经确认了先前的实验室结果。Schmidt-Wellenburg说：“我们目前的结果也得出nEDM的值太小，无法用迄今为止使用的仪器进行测量-该值太接近于零。”“因此，中子帮助解释多余物质的可能性越来越小。但是仍然不能完全排除它。在任何情况下，科学都会对nEDM的确切价值感兴趣，以便确定它是否可用于发现新的物理学。”

因此，已经在计划下一个更精确的测量。“当我们在2010年在PSI启动当前的超冷中子源时，我们已经知道，其余的实验并不能完全做到这一点。因此，我们目前正在建立一个适当的大型实验。” Bison解释道。PSI研究人员预计，到2021年，将开始对nEDM进行下一系列测量，从而在准确性方面超过当前的测量。

“在过去的十年中，我们获得了丰富的经验，并且能够利用它来不断优化我们的实验-无论是在我们的中子源方面，还是一般来说，对于在粒子物理学中对此类复杂数据进行最佳评估， ”施密特·韦伦堡（Schmidt-Wellenburg）说。“当前出版物设定了新的国际标准。”

参考：C. Abel等人的“中子的永久电偶极矩的测量”，2020年2月28日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.124.081803