為什麼我們不是由反物質構成的？

宇宙本不應該存在。科學家們對粒子物理學的所有認知，都總結在一個名為標準模型的理論中，該理論表明，宇宙大爆炸應該創造出等量的物質和反物質。反物質是物質的映象版本，由我們所知的所有常規粒子的夥伴粒子組成，它們在各方面都相同，只是電荷相反。當物質和反物質粒子碰撞時，它們會互相湮滅，因此宇宙誕生時產生的質量應該被完全清除，留下一個空曠、毫無特徵的宇宙，只包含光。而在這場大湮滅之後，仍然有足夠的剩餘物質形成星系、恆星、行星，甚至我們，但幾乎沒有反物質，這被稱為物質-反物質失衡。這種存在性的異常是現代物理學中最偉大的未解之謎之一。

物理學家們已經構想出許多假設來解釋這種不匹配，但我們不知道其中哪些（如果有的話）是正確的。其中一些假設試圖透過引入新的粒子來使物質佔據上風，這些新粒子衰變時，產生的物質多於反物質，或者與物質和反物質的相互作用方式不同。而這些提議中的一些包括科學家們希望探測到的副作用，從而為這些理論提供證據。一個例子是電子的一種奇異特性，稱為電偶極矩，即電子的質量中心和電荷中心之間微小的差異。這種位移從未被探測到，並且應該比目前的實驗能夠測量的要小得多。但是，許多旨在解釋物質-反物質失衡的標準模型擴充套件預測，電偶極矩的值要大得多。

最近，我與同事合作，試圖探測到這種訊號。我們的實驗室位於落基山脈山麓的JILA，科羅拉多大學博爾德分校的一個研究所，我們採取了與通常實驗不同的路線。我們開創了一種新的策略，使我們能夠對電偶極矩進行迄今為止最精確的測量。

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為了理解我們正在尋找什麼，請想象任何簡單的物理實驗。現在想象一下重複該實驗，將所有正電荷替換為負電荷（反之亦然），並將整個裝置以相反的方向排列，就像在鏡子中反射一樣。如果您在映象設定中獲得等效的結果，則該實驗將被稱為保持電荷和宇稱對稱性（簡稱CP對稱性）。1967年，物理學家安德烈·薩哈羅夫表明，這種對稱性與物質-反物質失衡密切相關。薩哈羅夫發現，如果我們目前發現的宇宙是從最初由等量物質和反物質組成的宇宙演變而來的，那麼一定發生了某種破壞CP對稱性的事情。大約在同一時間，其他研究人員發現，自然界有時確實會違反CP對稱性。例如，弱力——原子核中放射性的原因——在與夸克相互作用時，會稍微破壞這種對稱性。然而，標準模型中已知的CP破壞例項不足以解釋物質-反物質失衡。我們必須找到新的、未被發現的物理現象，這些現象不保持CP對稱性，才能解開這個謎團。

這就是我們的實驗的用武之地。它透過尋找已知粒子的微妙效應來尋找宇宙中新粒子的證據。這些效應的發生是由於標準模型的性質，標準模型是一種量子場論。在量子場論中，宇宙的基本組成部分是場，而不是粒子。自然界中的每種粒子都有一個場，從常見的粒子如電子和光子，到它們更奇異的表親如μ子和膠子。您可以將這些場的二維類似物想象成巨大的、柔韌的片材，它們延伸到整個空間，像湖面一樣支撐著漣漪。在量子場中，漣漪只能以某些離散的大小出現。給定場中最小可能的漣漪就是我們所說的粒子；場中的正漣漪是物質粒子，場中的負漣漪是反物質粒子。

產生最小可能漣漪所需的能量量取決於彈性片材的剛度；這個最小能量量就是相關粒子的靜止質量。不同的場相互連線——或者“耦合”——因此一個場中的漣漪會擾亂連線的場。例如，電子場中的振盪漣漪會在電磁場中產生相應的漣漪，對應於光子，這種現象我們在日常裝置（如無線電天線和行動電話）中得到了很好的利用。

物理學家們發現新場以及與之相關的最成功的工具，歷來是粒子對撞機。這些機器引導兩個粒子——例如質子——以高速相互飛向對方。當粒子（漣漪）像海灘上相遇的兩個水波一樣相互碰撞時，它們的劇烈相互作用會導致它們的一些能量被其他場中的漣漪帶走。如果它們碰撞的能量正好等於在它們耦合到的其他場之一中產生漣漪所需的能量，我們就會得到所謂的共振增強，這大大增加了新粒子被產生的可能性。這種碰撞共振被用來發現我們所知道的許多場——包括最近確認的標準模型的一部分，希格斯場，以及與之相關的粒子，希格斯玻色子。

世界上最強大的加速器，位於日內瓦附近的27公里環形大型強子對撞機（LHC），目前正在其設計的最高碰撞能量下執行，但到目前為止，它還沒有發現任何其他新場。如果存在未被發現的場，要麼它們的質量高於LHC可以達到的水平，要麼它們與標準模型場的耦合太弱，LHC無法產生它們。一臺能夠達到更高能量的新粒子對撞機可能要花費數百億美元，因此，即使就其是否應該以及如何資助達成一致意見，也可能需要很多年。

幸運的是，還有另一種方法可以探測到新的粒子和場，即進行精確測量。如前所述，由於標準模型的場是耦合的，因此一個場中對應於粒子的漣漪總是會引起其他場的擾動。例如，電子——電子場中的漣漪——會擾亂其周圍的電磁場。電磁場中的這種擾動反過來又會擾亂與之耦合的其他場，依此類推，最終包括所有已知的標準模型場。我們稱之為電子的實際上是所有這些場的複合激發，就像一個大的水波引起其上方空氣中的擾動一樣。這種效應有時被稱為電子被“虛粒子”雲包圍。

其他場的這些伴隨擾動會影響電子的許多性質，因此透過仔細測量這些性質，我們可以推斷出任何未被發現的、與電子耦合的場的存在。如果這些場與更重的粒子相關聯，它們會更硬，因此更不容易被漣漪狀的電子場擾動——這意味著它們對電子性質的影響較小。因此，測量具有越來越高質量的粒子的場的影響需要進行越來越精確的測量。

這種方法的一個困難之處在於，我們正在尋找的那種變化常常被標準模型的場的修改所掩蓋。例如，電子有一個類似於微型條形磁鐵的磁場。該磁場的強度是電子的磁偶極矩，並且已經被非常精確地測量出來。它的值主要由裸電子場的磁矩決定；最大的變化來自電磁場，並且可以以驚人的精度計算出來。然而，在當前實驗達到的精度水平上，電子和電磁場之間標準模型耦合的確切值並不完全已知——來自不同實驗的測量值存在一些差異。即使這個問題得到解決，與夸克場和強力的相互作用的微小效應也將很重要。這些效應可能非常複雜且難以計算，這使得我們尋找來自奇異物理學的類似大小（或更小）效應的挑戰變得更大。

繞過這個問題的一個好方法是找到標準模型中為零（或非常非常小）的性質。根據該理論，電子的質量中心和電荷中心之間應該只有極小的分離——換句話說，它的電偶極矩。電子的電偶極矩（eEDM），是磁矩的電對應物，基本上只能由違反CP對稱性的相互作用引起。標準模型中包含的CP破壞非常小，遠低於目前的實驗靈敏度。相比之下，許多旨在幫助解釋物質-反物質失衡的標準模型擴充套件預測，eEDM要大幾個數量級，並且在近期實驗的範圍內。

我記得作為一名物理專業的學生第一次讀到這些想法時非常興奮。與執行像LHC這樣的粒子對撞機所涉及的龐大基礎設施和大型合作不同，測量電子等日常粒子的實驗通常可以放在大學實驗室（當然是大型的）的桌子上，並且可以由少數科學家處理。令我驚訝的是，在某些情況下，這些測試可以回答世界上最昂貴的實驗無法回答的基礎物理學問題。桌面專案似乎也更適合我的個性。在大型合作中，個人角色通常高度專業化；相比之下，執行桌面實驗需要每個人對整個裝置有一個全面的瞭解。我們必須是通才，掌握許多不同學科和技術的可接受的知識，從電子學和計算機程式設計到雷射和真空室。我喜歡這種多樣性，以及有機會用相對較小的東西做一些大事。

說電子具有非零電偶極矩，等同於說它在電場中具有首選方向——就像指南針的指標（具有磁偶極矩）在地球磁場中具有首選方向一樣。如果指南針指標被短暫地輕推，它將在磁北周圍來回擺動。這種擺動的頻率與磁場強度和指標的磁偶極矩大小成正比。

因此，如果您測量已知磁場中擺動的頻率，您就會知道指標的磁偶極矩的大小。如果指標也具有EDM，可能是因為我們以某種方式給它的一端充電，我們可以透過同時施加電場來測量其大小。當電場與磁場平行時，指標將以略微增加的頻率擺動；當電場指向相反方向時，擺動頻率將降低。這兩個頻率之間的差異告訴我們指標的EDM的大小。我們可以用完全相同的方式搜尋電子的EDM，首先將粒子置於磁場中，然後測量當我們將電場平行和反平行於磁場時，其擺動頻率的變化。

我們知道eEDM必須非常小，如果它存在的話，所以我們知道我們正在尋找擺動頻率中極其微小的變化。我們可以透過施加更大的電場來增強訊號。一種有效的方法是使用限制在重原子和分子內部的電子。您可能會認為原子或分子中的電子不會感受到任何電場，否則它會飛走。然而，只有當您忽略愛因斯坦的狹義相對論時，情況才是如此。當考慮到相對論時，事實證明，在重原子中，相對論效應最為重要，因為電子在帶高電荷的原子核附近以接近光速的速度運動，作用在電子上的有效電場可能非常巨大——大約比我們可以在實驗室中產生的最強電場大一百萬倍。為了利用這個極其巨大的場進行測量，我們只需要在實驗室中施加足夠的電場來定向原子或分子。事實證明，使用分子更容易做到這一點，因此在過去的十年左右，所有此類領先的實驗都使用了重分子中的電子，這些重分子由兩個原子組成。我們的實驗使用氟化鉿分子，因為鉿在其原子核中有72個質子，是元素週期表中不是放射性的最重金屬之一。

即使有了這個巨大的電場，我們可能從實際大小的EDM中預期的電子擺動頻率的變化仍然非常微小，大約每七個小時左右多一次擺動。為了探測到如此微小的變化，我們需要極其精確地測量兩個頻率，即電場平行於磁場方向和與磁場方向相反的情況。我們監測頻率的時間越長，我們可以測量的擺動次數就越多，因此我們可以使我們的測量更加精確。

我們的計時受到分子壽命的限制。對於這類實驗，我們必須使用具有自由的、未成對電子的分子，這使得它們具有高反應性——電子渴望與它們遇到的任何其他原子結合。我們必須將分子儲存在真空室中，在那裡它們不會與其他粒子或腔室壁接觸。之前的實驗使用了以每秒數百米的速度在長真空室中傳播的分子束，研究人員在自由飛行中觀察分子。在這種設定中，測量時間受到分子束在開始擴散太遠並且訊號丟失之前可以傳播多長時間的限制。通常這種情況發生在約一米內，或約一毫秒內。

對於我們的實驗，我們希望能夠觀察電子更長時間。我們決定使用捕獲的分子離子——帶電分子——我們用電場將它們固定在位置上。以這種方式捕獲分子離子並非新鮮事，但以前沒有人認為這種陷阱適用於電子的電偶極矩測量。這些測量需要我們將分子暴露在電場中，如果分子是帶電離子，電場應該導致它們加速飛走。但是我們實驗室的負責人埃裡克·康奈爾有一個令人興奮的見解：他建議我們快速旋轉電場，這樣，離子就不會飛走，而只是在陷阱內描繪出小圓圈。這種方法使我們能夠測量分子三秒鐘——與之前的實驗相比有了很大的改進。我們的測量時間主要受到分子衰變成較低能量狀態所需時間的限制。

然而，我們的離子阱技術確實有一個缺點。由於我們一次只能捕獲如此多的離子，因此我們的實驗在每次執行中測量的電子數量比典型的束流實驗少得多。我們每次拍攝能夠觀察到幾百個電子。在實驗室裡度過了兩個月的漫長日子後，我們總共測量了超過1億個電子。

收集資料集是快速的部分。精密實驗的真正挑戰在於花費時間尋找系統誤差——我們可能會讓自己相信我們已經測量了eEDM，但實際上我們並沒有。精密測量科學家非常認真地對待這項工作；沒有人希望宣佈他們發現了新粒子，但後來卻發現他們只是精確地測量了他們的裝置或方法中的一個微小缺陷。我們花了大約兩年的時間來尋找和理解這些缺陷。

EDM實驗中誤差的一個重要來源是對磁場控制的水平。回想一下，我們正在尋找當電場平行於和反對磁場方向施加時，電子在磁場中擺動頻率的差異。問題是擺動頻率取決於磁場強度。如果該場在兩次測量之間略有漂移，結果看起來會像EDM。為了解決這種可能性，我們找到了一種同時進行兩種電場測量的方法。我們取一團分子，並準備一半，使其內部電場與外部磁場對齊，另一半使其內部電場反向對齊。然後我們同時測量兩組電子的擺動，並且由於兩者同時在同一個陷阱中，它們以非常高的精度體驗相同的磁場。

系統誤差的另一個來源是實驗者偏差。所有科學家都是人，儘管我們盡了最大努力，但我們的思想和決定可能會有偏差。這種易犯錯誤可能會影響實驗結果。過去，它曾導致研究人員下意識地試圖使結果與之前的實驗相匹配。一個充分研究的例子是光速的測量。在19世紀後期，確定這個常數的嘗試顯著高估了它。後來，測量結果傾向於低估該值，這導致一些物理學家認為光速正在變化。但事實上，研究人員可能在無意識地引導他們的資料以更好地符合先前的值，即使這些值最終被證明是不準確的。直到實驗者對他們的誤差的真實大小有了更好的把握，各種測量結果才收斂到我們現在認為是正確的值。

為了避免這個問題，許多現代精密測量實驗都採取“盲法”資料採集。在我們的例子中，在每次實驗執行之後，我們都對我們的計算機進行程式設計，以向我們的測量值新增一個隨機生成的數字——“盲數”——並將其儲存在加密檔案中。只有在我們收集了我們所有的資料，完成了我們的統計分析，甚至基本寫完論文之後，我們才讓計算機減去盲數以揭示我們的真實結果。

揭曉結果的那一天是令人神經緊張的一天。經過多年的辛勤工作，我們的團隊聚集在一起，共同找出最終結果。我編寫了一個計算機程式來生成一張賓果風格的卡片，其中包含64個看似合理的數字，其中只有一個是真實結果。其他數字從“與零一致”到“非常重要的發現”不等。螢幕上的所有虛假答案慢慢地一個接一個地消失了。將你多年的職業生涯濃縮成一個單一的數字有點奇怪，我質疑用賓果卡片來增加壓力是否明智。但我認為，我們所有人都清楚地認識到盲法技術的重要性；很難知道對於一個特別大的結果的消失是應該感到欣慰還是失望，這個結果本可以暗示新的、未被發現的粒子和場，但同時也與之前的實驗結果相矛盾。

最後，螢幕上只剩下一個值。我們的答案在我們計算的不確定性範圍內與零一致。該結果也與之前的測量結果一致，增強了人們對它們的整體信心，並且在最佳精度上提高了兩倍。到目前為止，似乎我們沒有證據表明電子具有EDM。

雖然可能不如非零值那麼令人興奮，但我們對eEDM可能大小的新上限具有實質性的意義。如果我們假設任何新的CP破壞場都以類似於電磁場的強度（標準模型中的中間耦合強度，介於代表弱力和強力的場之間）與電子耦合，那麼我們的測量意味著與其相關的粒子的質量必須大於約40萬億電子伏特。這個限制將使其遠遠超出LHC可以直接發現的粒子的最高質量。

這個結果，以及其他最近的eEDM測量結果，讓許多期望新場存在於這個能量尺度以下的人感到驚訝。一種可能的解釋是，這些場以這樣一種方式與標準模型耦合，以至於它們對eEDM的貢獻只是間接的，因此對於給定的質量來說，比上面的估計假設的要小。研究人員或許可以透過對夸克構成的其他粒子進行EDM的補充測量來證實這種可能性，在這些粒子中，耦合可能有所不同。目前正在進行中子和汞核的此類測量，並且計劃進行更多測量。

另一種可能性是，新的場能量略高或耦合較小，超出了我們實驗的範圍，但下一代eEDM測量可以訪問。我預計未來十年左右將看到精度的顯著提高。在JILA，我們已經在研究使用另一種分子，氟化釷，它具有更強的內部電場，以進一步增加觀測時間，或許可以達到20秒。我們還計劃透過在一個長真空室中並行執行多個實驗，使用數十個獨立的陷阱，來部分解決我們在可以捕獲的分子數量方面的劣勢。

我們預計，來自世界最佳分子束實驗的最新迭代，ACME III專案（“先進冷分子EDM”的縮寫），將取得重大進展，該專案位於西北大學，科學家們正在改進其分子束的焦點，以延長他們的測量時間。與此同時，其他物理學家正在研究使用雷射冷卻技術捕獲中性分子的方法。這種方法有可能結合長測量時間和大量電子的優點。加拿大研究人員的一項雄心勃勃的計劃旨在研究限制在冷凍惰性氣體固體晶體內的分子。這種技術可以實現每次拍攝測量大量電子，但這仍然有待觀察固體中其他附近原子的場將如何影響測量。

最終，我們希望要麼探測到電子中的電偶極矩，要麼將可能的尺寸限制到足以有效地排除科學家們設想的用於解釋我們的反物質之謎的場和粒子的型別。我們知道，我們所居住的物質宇宙之所以如此，一定有某種原因——問題是我們需要多久才能發現它。