中子电偶极矩

中子电偶极矩 (nEDM)，表示为 dn，是衡量中子内部正电荷和负电荷分布的量度。 有限的电偶极矩只有在粒子内部负电荷和正电荷分布的中心不重合时才能存在。 到目前为止，还没有发现中子放电加工。 目前 dn 的最佳测量限值为 (0.0±1.1)×10−26 e⋅cm。

基本粒子的xxx电偶极矩违反宇称 (P) 和时间反演对称性 (T)。 这些违规情况可以通过检查中子的磁偶极矩和假设的电偶极矩来理解。 在时间反转下，磁偶极矩改变方向，而电偶极矩保持不变。 在宇称下，电偶极矩改变方向但磁偶极矩不变。 由于 P 和 T 下的结果系统相对于初始系统不对称，因此在存在 EDM 的情况下会违反这些对称性。 具有 CPT 对称性，组合对称性 CP 也被破坏。

如上所述，为了生成有限的 nEDM，需要违反 CP 对称性的过程。 CP 破坏已在弱相互作用中观察到，并通过 CKM 矩阵中的 CP 破坏相包含在粒子物理学的标准模型中。 然而，CP 违规量非常小，因此对 nEDM 的贡献也很小：|dn| ~ 10−31 e⋅cm。

从宇宙中物质和反物质之间的不对称性，人们怀疑一定存在大量的 CP 破缺。 因此，在比标准模型预测的水平高得多的水平上测量中子电偶极矩将直接证实这种怀疑并提高我们对 CP 破坏过程的理解。

由于中子是由夸克构成的，它也容易受到强相互作用引起的 CP 破坏。 量子色动力学——对强力的理论描述——自然包括一个破坏 CP 对称性的术语。 此项的强度由角度 θ 表征。 nEDM 的电流限制将该角度限制为小于 10−10 弧度。 这种角度 θ 的微调，自然预期为 1 阶，是强 CP 问题。

标准模型的超对称扩展，例如最小超对称标准模型，通常会导致较大的 CP 违规。 理论范围在 10−25 e⋅cm 和 10−28 e⋅cm 之间的中子 EDM 的典型预测。 与强相互作用的情况一样，中子 EDM 的限制已经限制了 CP 破坏相。 然而，微调还没有那么严重。

为了提取中子 EDM，在存在平行和反平行磁场和电场的情况下测量中子自旋的拉莫尔进动。 两种情况中每一种的进动频率由下式给出

h ν = 2 μ n B ± 2 d n E {displaystyle hnu =2mu _{text{n}}Bpm 2d_{text{n}}E} ,

频率的加减源于磁场周围磁矩的进动和电场周围电偶极矩的进动。 从这两个频率的差异可以很容易地获得中子 EDM 的测量值：

d n = h Δ ν 4 E {displaystyle d_{text{n}}={frac {h,Delta nu }{4E}}}

实验xxx的挑战（同时也是xxx的系统性错误效应的来源）是确保磁场在这两次测量期间不会发生变化。

寻找中子电偶极矩的xxx个实验使用热中子束（后来是冷中子束）进行测量。 它始于 James Smith、Purcell 和 Ramsey 于 1951 年（并于 1957 年发表）在 ORNL 的石墨反应器上进行的实验（由于这三位研究人员来自哈佛大学，因此该实验被称为 ORNL/Harvard 或类似名称，请参见本图 节），获得 |dn| 的限制 < 5×10−20 e⋅cm 。 直到 1977 年，中子束才被用于 nEDM 实验。 在这一点上，与光束中子的高速相关的系统效应变得无法克服。 用中子束获得的最终极限为 |dn| < 3×10−24 e⋅cm。

之后，超冷中子 (UCN) 实验接手了。 它始于 1980 年，在列宁格勒核物理研究所 (LNPI) 进行的一项实验获得了 |dn| 的极限。 < 1.6×10−24e⋅cm 。 这个实验，尤其是 1984 年在劳埃-朗之万研究所 (ILL) 开始的实验，将极限再降低了两个数量级，在 2006 年产生了最佳上限，并在 2015 年进行了修订。