- 費米實驗室對μ子電偶極矩設置了最強直接限制。
- 可測量的EDM將違反自然界的重要對稱性。
- 這一結果進一步推進了對μ子的研究，尋找新物理學現象。
- 零結果在科學上是有價值的，為未來實驗提供基準。
一個粒子能否在微小的顫動中隱藏秘密？最近的分析顯示出這一可能性。美國能源部的費米國家加速器實驗室的物理學家們利用 Muon g-2 實驗，尋找μ子最難以捉摸的性質之一——其電偶極矩 (EDM)。他們並未找到相關證據，但缺乏發現本身也成為一項有用的結果。這次合作僅使用了實驗數據的 25%，便對μ子 EDM 設置了目前最強的直接限制。這項發現表明，如果該性質存在，其大小小於現有儀器的探測能力。
這一結果進一步推進了對μ子的研究，試圖尋找超越標準模型的物理現象。
μ子電偶極矩的重要性
電偶極矩是一種會賦予粒子內在電極性的性質，將其自旋方向與電行為相連。對於像μ子這樣的基本粒子而言，這將不僅僅是一個奇特現象。可測量的 EDM 將違反自然界的重要對稱性，並可能揭示超越標準模型的物理學。它還可能為宇宙學中的一重大謎題提供線索：為何宇宙中物質的含量遠多於反物質。標準模型預測μ子 EDM 約為 10⁻³⁸ e·cm，這個數值小到目前的實驗無法檢測。新的費米實驗室限制值距離該預測仍有約 19 個數量級，因此該結果並未排除標準模型預期的微小 EDM。
相反，它明確縮小了可能存在更大新物理學貢獻的範圍。
來自倫敦大學學院的研究員 Gavin Hesketh 表示：「g-2 實驗的主要測量對與物質-反物質不對稱無關的新物理學非常敏感。電偶極矩的搜尋賦予了我們這種敏感性。」因此，即使這項結果為零測量，其意義也不容忽視。合作團隊找到的值為 dμ = (−0.35 ± 0.19(統計) ± 0.34(系統)) × 10⁻¹⁹ e·cm，與零值一致，並設置了 95%置信度的上限|dμ| < 1.1 × 10⁻¹⁹ e·cm。
這一限制約為來自布魯克海文國家實驗室的先前直接限制的 1.5 倍，後者約為 1.8 × 10⁻¹⁹ e·cm。
費米實驗室所做的巧妙之處在於無需建立全新的實驗。「如果您設置所有參數以最佳方式測量磁偶極矩，恰好也會對電偶極矩產生一定敏感性。」牽頭進行 EDM 分析的研究員 Joe Price 表示。Muon g-2 設備使用一個直徑 50 英尺的超導儲存環來儲存正μ子——技術上是反μ子，這些μ子以接近光速的速度運行。μ子在衰變前循環數百次。在穿越磁場時，其自旋的行為有點像微型陀螺儀，會以可測量的方式顫動。
這項實驗最初是設計用來測量μ子的磁偶極矩，即其著名的 g-2 測量背後的性質。然而，這種運動同時也包含另一個可能的信號。μ子 EDM 將在顫動中引入一個微小的垂直分量。
研究人員可以通過測量μ子衰變時產生的正電子的平均垂直方向來尋找此信號。μ子的超高速也有助於此。其正常壽命僅為 2.2 微秒，但相對論時間膨脹在實驗中將其延長了近 30 倍。這為研究人員提供了更多時間來檢測微妙的 EDM 相關運動並加強相關的電磁效應。儲存環內的兩個追蹤探測器至關重要。每個探測器包含 32 層鋁塗層的 Mylar 吸管，用於記錄帶電粒子的路徑。當μ子衰變時，會產生一個正電子——電子的反物質對應物。
正電子本身也是基礎物理研究的活躍主題，包括最近觀察到的正電子束縛態的波動行為。通過追蹤這些正電子，研究人員能夠確定其垂直衰變角度並尋找 EDM 預期的微小信號。
這些追蹤器最初並非專門為此目的建造。然而，當合作團隊啟動實驗時，研究人員發現束流未能達到規格。追蹤器幫助定位束流並繪製其輪廓。來自費米實驗室的高級研究員 Brendan Casey 表示：「追蹤器對於繪製束流的輪廓至關重要。沒有它們，我們無法從數據中提取 g-2 或 EDM 結果。它們實際上成為了絕對的必要。」
零結果的科學價值
這一結果僅使用了費米實驗室數據的 25%。用於分析的數據是在 2019 年和 2020 年收集的，並且合作團隊的改進追蹤和分析方法使其能夠設置比布魯克海文實驗室更強的直接限制，儘管最初是為不同測量設計的實驗。這項結果進一步增強了費米實驗室尋找稀有μ子行為的努力，這些行為可能揭示超越標準模型的物理學。這成為迄今為止對μ子 EDM 的最敏感直接搜尋，也是大約五十年來全球的第三次直接搜尋。
這項實驗也顯示了為何零結果在科學上是有價值的。確認的 EDM 將指向新物理學，並可能幫助解釋物質-反物質不對稱。其他高精度實驗也在從不同方向解決相同的謎題，包括 DUNE 對為何物質主導於反物質的線索的搜尋。費米實驗室的結果將為正在日本和瑞士開發的更新實驗提供基準目標，這些實驗旨在實現顯著更高的靈敏度。與此同時，合作團隊可以繼續從其剩餘數據中提取信息。因此，這一追尋並未結束。
第一次費米實驗室的搜尋只是推進了物理學家對μ子潛在隱藏性的認知邊界。
費米實驗室的突破與未來實驗的關聯
費米實驗室的Mu g-2實驗雖然未能檢測到μ子的電偶極矩，但其結果卻為未來的研究奠定了基礎。這一實驗的敏感性和對新物理學的探索意義重大，因為它不僅加深了對基本粒子性質的理解，還為其他高精度實驗提供了參考標準。隨著更多數據的分析，未來的實驗可能會揭示更深層次的物理現象，尤其是在物質與反物質不對稱的謎題上。