电子非常圆？新的实验测量表明，电子电偶极矩接近于零

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点粒子，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。

这些新物理理论通常包含一些新的粒子和相互作用，它们可以与电子发生虚拟的碰撞，改变电子的性质。比如说，如果存在一些很重的粒子，它们的相互作用违反了T对称性，那么它们就会在电子周围产生一个虚拟的电场，使得电子产生一个电偶极矩。这个电偶极矩的大小与这些新粒子的质量和相互作用强度有关。所以，如果我们能够测量出电子电偶极矩的大小，或者给出一个上限值，我们就可以对这些新物理理论进行检验或者限制。

根据一些理论预测 ，如果这些新粒子的质量在1-100 TeV/c²之间，那么电子电偶极矩的大小应该在10^-27到10^-30 e·cm之间。这个范围已经超出了现有或者未来几十年内可能建造的粒子加速器能够直接探测到的范围。所以，通过测量电子电偶极矩，我们可以探索一些加速器无法触及的新物理领域。

要测量电子电偶极矩并不容易，因为电子电偶极矩非常小，而且受到很多干扰因素的影响。为了提高测量灵敏度，我们需要给电子施加一个很大的外加电场，并且让电子在这个电场中保持很长时间。但是，在真空中操纵单个自由电子非常困难。所以，我们采用了一个巧妙的方法：利用分子离子中存在的巨大内部电场。

分子离子是由多个原子核和若干个电子组成的带正电荷的分子。分子离子中有一种特殊类型叫做极性分子离子，它们的电子云分布不均匀，导致分子两端有不同的电荷，形成一个分子电偶极矩。这个分子电偶极矩在分子内部产生了一个很强的电场，可以达到几十亿伏特每厘米。这个电场对分子中的每个电子都有作用，相当于给电子施加了一个外加电场。如果电子有一个电偶极矩，那么它就会在这个电场中感受到一个力矩，使得它的自旋发生进动。这个进动的角速度就是我们要测量的量，它与电子电偶极矩成正比。

为了测量这个进动的角速度，我们需要用一种特殊的技术叫做双共振光泵测量。这种技术的原理是这样的：我们首先用一束激光来制备分子离子的量子态，使得它们处于一个自旋向上和向下的叠加态。然后我们用另一束激光来探测分子离子的自旋方向，测量它们发出的荧光信号。如果分子离子没有受到任何干扰，那么它们的自旋方向不会改变，荧光信号也不会改变。但是，如果分子离子有一个电偶极矩，在内部电场中自旋发生了进动，那么它们的自旋方向就会改变，荧光信号也会随之改变。通过测量荧光信号随时间的变化，我们就可以得到进动的角速度，从而得到电子电偶极矩。

当然，实验中还有很多细节和困难需要解决。比如说，我们需要选择一种合适的分子离子来进行实验。我们选择了氟化铪（HfF ）这种分子离子，因为它有很多优点：它有一个很大的内部电场，它有一个很稳定的量子态，它可以被有效地激发和探测，它对外界磁场和温度变化不敏感。我们还需要制备出足够数量和纯度的HfF 分子离子，并且让它们在真空中飞行一段距离（约为1米），以便进行光泵测量。我们还需要消除或者控制一些可能影响测量精度的系统误差，比如说激光频率和强度的波动、分子离子速度和方向的分布、剩余气体和背景光的干扰等等。

经过了几年的努力，研究人员终于完成了对氟化铪分子离子中电子电偶极矩的测量，得到了一个非常接近于零的结果。这个结果表示，我们没有发现电子电偶极矩的存在，只能给出一个上限值。这个上限值比之前的最佳结果提高了约2.4倍，也比标准模型的预测值小了约11个数量级。这个结果对一些超出标准模型的新物理理论提出了严格的限制，比如说超对称理论、左右对称模型、多维空间模型等等。