中子電偶極矩

中子電偶極矩衡量中子內部正電荷與負電荷的分布。只有當正電量心與負電量心不重疊在同一位置時，電偶極矩才不等於零。至今為止，科學家尚未發現中子電偶極矩的蛛絲馬跡。

基本介紹

• 中文名：中子電偶極矩
• 外文名：Neutron electric dipole moment
• 解釋：衡量中子內部正電荷與負電荷分布
• 最早：實驗是使用熱中子束
• 現狀：尚未發現中子電偶極矩

簡介

中子電偶極矩衡量中子內部正電荷與負電荷的分布。只有當正電量心與負電量心不重疊在同一位置時，電偶極矩才不等於零。至今為止，科學家尚未發現中子電偶極矩的蛛絲馬跡。現在中子電偶極矩的最準確上限為 。

理論

假設基本粒子擁有內稟電偶極矩，則宇稱對稱性和時間對稱性（time symmetry）都會被破壞。舉例而言，思考中子的磁偶極矩和假定的電偶極矩，這兩種矢量的方向必需相同。但是，時間反演（T）會逆反磁偶極矩的方向，不會改變電偶極矩的方向；空間反演（宇稱）會逆反電偶極矩的方向，不會改變磁偶極矩的方向。電偶極矩的存在破壞了這些對稱性。假定CPT對稱性（CPT symmetry）正確無誤，則時間破壞也促使CP對稱性被破壞。

弱相互作用

按照前面論述，為了營造有限值電偶極矩，必需先存在有破壞CP對稱性的理論程式。實驗者已經在弱相互作用的實驗中觀測到CP破壞，也已經能夠用標準模型的卡比博-小林-益川矩陣中的CP破壞相位來解釋CP破壞。但是，這解釋所獲得的CP破壞數值非常微小，因此對於電偶極矩的貢獻也微乎其微： 。遠遠低於現在最精密實驗所能測量到的數值。電偶極矩實驗可以用來核對很多從標準模型延伸的嶄新理論，例如如最小超對稱標準模型（minimal supersymmetric standard model）、左右對稱模型（left-right symmetric model）等等。這些理論估計的電偶極矩數值在可核對值域內。

物質與反物質不對稱

從宇宙的物質與反物質不對稱現象，科學家覺得在大爆炸的初期，可能會有某種涉及CP破壞的機制，湮滅了大部分的反物質。安德烈·薩哈羅夫對於這過程做了很縝密的分析。科學家懷疑CP破壞的涉及程度很大，這意味著或許標準模形給出的電偶極矩過低，可能需要加以延伸。假若，測量到的電偶極矩數值能夠比標準模型預測值高很多，則這懷疑的正確性就可以得到合理解釋。

強相互作用

由於中子是由三個夸克組成的，中子會遭受到源於強相互作用的CP破壞。量子色動力學──描述強作用力的學術領域──自然地含有一個摧毀CP對稱性的項目。這項目的強度是以角 表達。現在的中子電偶極矩極限值要求 。但是，科學家認為 的數量級應該是1；這關於角 的精細調整（fine-tuning），稱為“強CP問題”。

超對稱CP問題

標準模型的超對稱延伸，例如最小超對稱標準模型（minimal supersymmetric standard model），通常會導致出很大的CP破壞。這理論對於中子電偶極矩的典型預測值域大約在 與 之間。如同強相互作用案例，中子電偶極矩的上限已經在局限著CP破壞相位；但是，需要實施的精細調整還不很嚴峻。

實驗方法

套用拉姆齊磁共振技術，將互相平行與反平行的磁場與電場施加於中子，然後測量其自旋的拉莫爾進動頻率。這是萃取中子電偶極矩的一種優良實驗方法。兩種案例的進動頻率分別為 ： ；其中，h是普朗克常數，是進動頻率，是中子磁偶極矩，B是磁場，是中子電偶極矩，E是電場。

磁偶極矩環繞磁場的進動與電偶極矩環繞電場的進動，這兩種進動造成了頻率的增加或減少。從這兩種頻率的差值，可以立刻得到對於中子電偶極矩的衡量：。

這實驗遭遇到的最大挑戰（同時是最大的系統性偽效應），在做測量時，磁場必需維持穩定不變。

參見

• 電偶極矩
  
• 電子電偶極矩（electron electric dipole moment）