突破!科學家們比以往任何時候都更精確地測量了中子的特性

2021-01-08 老胡說科學

在最近的一項研究中,保羅·謝勒研究所的科學家們比以前更精確地測量了中子的特性。他們發現,中子的電偶極矩明顯小於先前的假設。

他們的測量在EDM試驗中佔有一席之地,探測違反時間反轉不變性的物理。

假設:如果中子具有可測量的非零值的所謂電偶極矩(縮寫為nEDM),則可能是由於相同的物理原理也可以解釋大爆炸之後物質的過量。

對nEDM的追求可以用日常語言表達,以了解中子是否是電子羅盤。相當長一段時間以來,中子就是一個磁羅盤,會對磁場起反應,或者用技術術語來說:具有磁偶極矩。而且,如果中子具有一個電偶極分鐘,那麼它的價值就會特別少-沿著這些線,測量起來將更具挑戰性。

其他分析師過去的估計也證實了這一點。因此,PSI的科學家們需要在他們的最新估算中做出一個令人欽佩的嘗試來保持局部磁場的一致性。每一輛在PSI附近行駛的卡車都會對磁場產生一定程度的擾動,這對實驗很重要,所以必須確定這種影響並將其從實驗信息中排除。

此外,觀察到的中子數必須足夠大,以提供測量nEDM的機會。因此,PSI的測量持續了兩年。測量了所謂的超冷中子,即速度相對較慢的中子。每隔300秒,就會有一個8秒長、包含1萬多個中子的束被導向實驗並進行檢查。科學家估計總共有5萬個這樣的包裹。

菲利普·施密特-韋倫伯格是PSI公司nEDM項目的一名科學家,他說:「即便是PSI擁有大型研究設施,這也是一項相當廣泛的研究。但這正是我們現在所需要的。」

這一新結果是由歐洲和美國18個研究所和大學的一組研究人員得出的其中包括蘇黎世聯邦理工學院、伯爾尼大學和弗裡堡大學。數據是在PSI的超冷中子源收集的。研究人員在那裡收集了兩年多的測量數據,在兩個團隊中進行了非常仔細地評估,獲得了比以往任何時候都更準確的結果。

施密特-韋倫伯格說:「歐洲核子研究中心的研究範圍很廣,通常是尋找新的粒子及其特性。另一方面,我們深入研究是因為我們只研究了一個粒子的特性,中子。然而,作為交換,我們在這一細節上取得了LHC可能在100年後才能達到的準確性。」

Georg Bison和Schmidt-Wellenburg一樣,是PSI粒子物理實驗室的研究員,他說:「最終,在宇宙尺度上的各種測量顯示出與標準模型的偏差。相比之下,還沒有人能夠在實驗室裡重現這些結果。這是現代物理學中的重大問題之一,也是我們的工作如此令人興奮的原因。」

Schmidt-Wellenburg說:「我們目前的結果也產生了nEDM的一個值,這個值太小了,用目前使用的儀器無法測量——這個值太接近於零了。」因此,中子幫助解釋物質過剩的可能性已經降低了。但仍不能完全排除這種可能性。無論如何,科學感興趣的是nEDM的確切價值,以找出它是否可以用來發現新的物理學。」

Bison說:「當我們在2010年在PSI啟動超冷中子的電流源時,我們已經知道實驗的其餘部分不會很精確。因此,我們目前正在進行一項規模更大的實驗。」

Schmidt-Wellenburg說:「在過去的十年裡,我們已經獲得了大量的經驗,並且已經能夠使用它來不斷地優化我們的實驗——關於我們的中子源,以及在一般情況下,在粒子物理學中對如此複雜的數據進行最好的評估。」當前的出版物樹立了一個新的國際標準。」

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