为什么我们不是由反物质构成的？

宇宙本不应该存在。科学家们对粒子物理学的所有认知，都总结在一个名为标准模型的理论中，该理论表明，宇宙大爆炸应该创造出等量的物质和反物质。反物质是物质的镜像版本，由我们所知的所有常规粒子的伙伴粒子组成，它们在各方面都相同，只是电荷相反。当物质和反物质粒子碰撞时，它们会互相湮灭，因此宇宙诞生时产生的质量应该被完全清除，留下一个空旷、毫无特征的宇宙，只包含光。而在这场大湮灭之后，仍然有足够的剩余物质形成星系、恒星、行星，甚至我们，但几乎没有反物质，这被称为物质-反物质失衡。这种存在性的异常是现代物理学中最伟大的未解之谜之一。

物理学家们已经构想出许多假设来解释这种不匹配，但我们不知道其中哪些（如果有的话）是正确的。其中一些假设试图通过引入新的粒子来使物质占据上风，这些新粒子衰变时，产生的物质多于反物质，或者与物质和反物质的相互作用方式不同。而这些提议中的一些包括科学家们希望探测到的副作用，从而为这些理论提供证据。一个例子是电子的一种奇异特性，称为电偶极矩，即电子的质量中心和电荷中心之间微小的差异。这种位移从未被探测到，并且应该比目前的实验能够测量的要小得多。但是，许多旨在解释物质-反物质失衡的标准模型扩展预测，电偶极矩的值要大得多。

最近，我与同事合作，试图探测到这种信号。我们的实验室位于落基山脉山麓的JILA，科罗拉多大学博尔德分校的一个研究所，我们采取了与通常实验不同的路线。我们开创了一种新的策略，使我们能够对电偶极矩进行迄今为止最精确的测量。

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为了理解我们正在寻找什么，请想象任何简单的物理实验。现在想象一下重复该实验，将所有正电荷替换为负电荷（反之亦然），并将整个装置以相反的方向排列，就像在镜子中反射一样。如果您在镜像设置中获得等效的结果，则该实验将被称为保持电荷和宇称对称性（简称CP对称性）。1967年，物理学家安德烈·萨哈罗夫表明，这种对称性与物质-反物质失衡密切相关。萨哈罗夫发现，如果我们目前发现的宇宙是从最初由等量物质和反物质组成的宇宙演变而来的，那么一定发生了某种破坏CP对称性的事情。大约在同一时间，其他研究人员发现，自然界有时确实会违反CP对称性。例如，弱力——原子核中放射性的原因——在与夸克相互作用时，会稍微破坏这种对称性。然而，标准模型中已知的CP破坏实例不足以解释物质-反物质失衡。我们必须找到新的、未被发现的物理现象，这些现象不保持CP对称性，才能解开这个谜团。

这就是我们的实验的用武之地。它通过寻找已知粒子的微妙效应来寻找宇宙中新粒子的证据。这些效应的发生是由于标准模型的性质，标准模型是一种量子场论。在量子场论中，宇宙的基本组成部分是场，而不是粒子。自然界中的每种粒子都有一个场，从常见的粒子如电子和光子，到它们更奇异的表亲如μ子和胶子。您可以将这些场的二维类似物想象成巨大的、柔韧的片材，它们延伸到整个空间，像湖面一样支撑着涟漪。在量子场中，涟漪只能以某些离散的大小出现。给定场中最小可能的涟漪就是我们所说的粒子；场中的正涟漪是物质粒子，场中的负涟漪是反物质粒子。

产生最小可能涟漪所需的能量量取决于弹性片材的刚度；这个最小能量量就是相关粒子的静止质量。不同的场相互连接——或者“耦合”——因此一个场中的涟漪会扰乱连接的场。例如，电子场中的振荡涟漪会在电磁场中产生相应的涟漪，对应于光子，这种现象我们在日常设备（如无线电天线和移动电话）中得到了很好的利用。

物理学家们发现新场以及与之相关的最成功的工具，历来是粒子对撞机。这些机器引导两个粒子——例如质子——以高速相互飞向对方。当粒子（涟漪）像海滩上相遇的两个水波一样相互碰撞时，它们的剧烈相互作用会导致它们的一些能量被其他场中的涟漪带走。如果它们碰撞的能量正好等于在它们耦合到的其他场之一中产生涟漪所需的能量，我们就会得到所谓的共振增强，这大大增加了新粒子被产生的可能性。这种碰撞共振被用来发现我们所知道的许多场——包括最近确认的标准模型的一部分，希格斯场，以及与之相关的粒子，希格斯玻色子。

世界上最强大的加速器，位于日内瓦附近的27公里环形大型强子对撞机（LHC），目前正在其设计的最高碰撞能量下运行，但到目前为止，它还没有发现任何其他新场。如果存在未被发现的场，要么它们的质量高于LHC可以达到的水平，要么它们与标准模型场的耦合太弱，LHC无法产生它们。一台能够达到更高能量的新粒子对撞机可能要花费数百亿美元，因此，即使就其是否应该以及如何资助达成一致意见，也可能需要很多年。

幸运的是，还有另一种方法可以探测到新的粒子和场，即进行精确测量。如前所述，由于标准模型的场是耦合的，因此一个场中对应于粒子的涟漪总是会引起其他场的扰动。例如，电子——电子场中的涟漪——会扰乱其周围的电磁场。电磁场中的这种扰动反过来又会扰乱与之耦合的其他场，依此类推，最终包括所有已知的标准模型场。我们称之为电子的实际上是所有这些场的复合激发，就像一个大的水波引起其上方空气中的扰动一样。这种效应有时被称为电子被“虚粒子”云包围。

其他场的这些伴随扰动会影响电子的许多性质，因此通过仔细测量这些性质，我们可以推断出任何未被发现的、与电子耦合的场的存在。如果这些场与更重的粒子相关联，它们会更硬，因此更不容易被涟漪状的电子场扰动——这意味着它们对电子性质的影响较小。因此，测量具有越来越高质量的粒子的场的影响需要进行越来越精确的测量。

这种方法的一个困难之处在于，我们正在寻找的那种变化常常被标准模型的场的修改所掩盖。例如，电子有一个类似于微型条形磁铁的磁场。该磁场的强度是电子的磁偶极矩，并且已经被非常精确地测量出来。它的值主要由裸电子场的磁矩决定；最大的变化来自电磁场，并且可以以惊人的精度计算出来。然而，在当前实验达到的精度水平上，电子和电磁场之间标准模型耦合的确切值并不完全已知——来自不同实验的测量值存在一些差异。即使这个问题得到解决，与夸克场和强力的相互作用的微小效应也将很重要。这些效应可能非常复杂且难以计算，这使得我们寻找来自奇异物理学的类似大小（或更小）效应的挑战变得更大。

绕过这个问题的一个好方法是找到标准模型中为零（或非常非常小）的性质。根据该理论，电子的质量中心和电荷中心之间应该只有极小的分离——换句话说，它的电偶极矩。电子的电偶极矩（eEDM），是磁矩的电对应物，基本上只能由违反CP对称性的相互作用引起。标准模型中包含的CP破坏非常小，远低于目前的实验灵敏度。相比之下，许多旨在帮助解释物质-反物质失衡的标准模型扩展预测，eEDM要大几个数量级，并且在近期实验的范围内。

我记得作为一名物理专业的学生第一次读到这些想法时非常兴奋。与运行像LHC这样的粒子对撞机所涉及的庞大基础设施和大型合作不同，测量电子等日常粒子的实验通常可以放在大学实验室（当然是大型的）的桌子上，并且可以由少数科学家处理。令我惊讶的是，在某些情况下，这些测试可以回答世界上最昂贵的实验无法回答的基础物理学问题。桌面项目似乎也更适合我的个性。在大型合作中，个人角色通常高度专业化；相比之下，运行桌面实验需要每个人对整个装置有一个全面的了解。我们必须是通才，掌握许多不同学科和技术的可接受的知识，从电子学和计算机编程到激光和真空室。我喜欢这种多样性，以及有机会用相对较小的东西做一些大事。

说电子具有非零电偶极矩，等同于说它在电场中具有首选方向——就像指南针的指针（具有磁偶极矩）在地球磁场中具有首选方向一样。如果指南针指针被短暂地轻推，它将在磁北周围来回摆动。这种摆动的频率与磁场强度和指针的磁偶极矩大小成正比。

因此，如果您测量已知磁场中摆动的频率，您就会知道指针的磁偶极矩的大小。如果指针也具有EDM，可能是因为我们以某种方式给它的一端充电，我们可以通过同时施加电场来测量其大小。当电场与磁场平行时，指针将以略微增加的频率摆动；当电场指向相反方向时，摆动频率将降低。这两个频率之间的差异告诉我们指针的EDM的大小。我们可以用完全相同的方式搜索电子的EDM，首先将粒子置于磁场中，然后测量当我们将电场平行和反平行于磁场时，其摆动频率的变化。

我们知道eEDM必须非常小，如果它存在的话，所以我们知道我们正在寻找摆动频率中极其微小的变化。我们可以通过施加更大的电场来增强信号。一种有效的方法是使用限制在重原子和分子内部的电子。您可能会认为原子或分子中的电子不会感受到任何电场，否则它会飞走。然而，只有当您忽略爱因斯坦的狭义相对论时，情况才是如此。当考虑到相对论时，事实证明，在重原子中，相对论效应最为重要，因为电子在带高电荷的原子核附近以接近光速的速度运动，作用在电子上的有效电场可能非常巨大——大约比我们可以在实验室中产生的最强电场大一百万倍。为了利用这个极其巨大的场进行测量，我们只需要在实验室中施加足够的电场来定向原子或分子。事实证明，使用分子更容易做到这一点，因此在过去的十年左右，所有此类领先的实验都使用了重分子中的电子，这些重分子由两个原子组成。我们的实验使用氟化铪分子，因为铪在其原子核中有72个质子，是元素周期表中不是放射性的最重金属之一。

即使有了这个巨大的电场，我们可能从实际大小的EDM中预期的电子摆动频率的变化仍然非常微小，大约每七个小时左右多一次摆动。为了探测到如此微小的变化，我们需要极其精确地测量两个频率，即电场平行于磁场方向和与磁场方向相反的情况。我们监测频率的时间越长，我们可以测量的摆动次数就越多，因此我们可以使我们的测量更加精确。

我们的计时受到分子寿命的限制。对于这类实验，我们必须使用具有自由的、未成对电子的分子，这使得它们具有高反应性——电子渴望与它们遇到的任何其他原子结合。我们必须将分子保存在真空室中，在那里它们不会与其他粒子或腔室壁接触。之前的实验使用了以每秒数百米的速度在长真空室中传播的分子束，研究人员在自由飞行中观察分子。在这种设置中，测量时间受到分子束在开始扩散太远并且信号丢失之前可以传播多长时间的限制。通常这种情况发生在约一米内，或约一毫秒内。

对于我们的实验，我们希望能够观察电子更长时间。我们决定使用捕获的分子离子——带电分子——我们用电场将它们固定在位置上。以这种方式捕获分子离子并非新鲜事，但以前没有人认为这种陷阱适用于电子的电偶极矩测量。这些测量需要我们将分子暴露在电场中，如果分子是带电离子，电场应该导致它们加速飞走。但是我们实验室的负责人埃里克·康奈尔有一个令人兴奋的见解：他建议我们快速旋转电场，这样，离子就不会飞走，而只是在陷阱内描绘出小圆圈。这种方法使我们能够测量分子三秒钟——与之前的实验相比有了很大的改进。我们的测量时间主要受到分子衰变成较低能量状态所需时间的限制。

然而，我们的离子阱技术确实有一个缺点。由于我们一次只能捕获如此多的离子，因此我们的实验在每次运行中测量的电子数量比典型的束流实验少得多。我们每次拍摄能够观察到几百个电子。在实验室里度过了两个月的漫长日子后，我们总共测量了超过1亿个电子。

收集数据集是快速的部分。精密实验的真正挑战在于花费时间寻找系统误差——我们可能会让自己相信我们已经测量了eEDM，但实际上我们并没有。精密测量科学家非常认真地对待这项工作；没有人希望宣布他们发现了新粒子，但后来却发现他们只是精确地测量了他们的装置或方法中的一个微小缺陷。我们花了大约两年的时间来寻找和理解这些缺陷。

EDM实验中误差的一个重要来源是对磁场控制的水平。回想一下，我们正在寻找当电场平行于和反对磁场方向施加时，电子在磁场中摆动频率的差异。问题是摆动频率取决于磁场强度。如果该场在两次测量之间略有漂移，结果看起来会像EDM。为了解决这种可能性，我们找到了一种同时进行两种电场测量的方法。我们取一团分子，并准备一半，使其内部电场与外部磁场对齐，另一半使其内部电场反向对齐。然后我们同时测量两组电子的摆动，并且由于两者同时在同一个陷阱中，它们以非常高的精度体验相同的磁场。

系统误差的另一个来源是实验者偏差。所有科学家都是人，尽管我们尽了最大努力，但我们的思想和决定可能会有偏差。这种易犯错误可能会影响实验结果。过去，它曾导致研究人员下意识地试图使结果与之前的实验相匹配。一个充分研究的例子是光速的测量。在19世纪后期，确定这个常数的尝试显着高估了它。后来，测量结果倾向于低估该值，这导致一些物理学家认为光速正在变化。但事实上，研究人员可能在无意识地引导他们的数据以更好地符合先前的值，即使这些值最终被证明是不准确的。直到实验者对他们的误差的真实大小有了更好的把握，各种测量结果才收敛到我们现在认为是正确的值。

为了避免这个问题，许多现代精密测量实验都采取“盲法”数据采集。在我们的例子中，在每次实验运行之后，我们都对我们的计算机进行编程，以向我们的测量值添加一个随机生成的数字——“盲数”——并将其存储在加密文件中。只有在我们收集了我们所有的数据，完成了我们的统计分析，甚至基本写完论文之后，我们才让计算机减去盲数以揭示我们的真实结果。

揭晓结果的那一天是令人神经紧张的一天。经过多年的辛勤工作，我们的团队聚集在一起，共同找出最终结果。我编写了一个计算机程序来生成一张宾果风格的卡片，其中包含64个看似合理的数字，其中只有一个是真实结果。其他数字从“与零一致”到“非常重要的发现”不等。屏幕上的所有虚假答案慢慢地一个接一个地消失了。将你多年的职业生涯浓缩成一个单一的数字有点奇怪，我质疑用宾果卡片来增加压力是否明智。但我认为，我们所有人都清楚地认识到盲法技术的重要性；很难知道对于一个特别大的结果的消失是应该感到欣慰还是失望，这个结果本可以暗示新的、未被发现的粒子和场，但同时也与之前的实验结果相矛盾。

最后，屏幕上只剩下一个值。我们的答案在我们计算的不确定性范围内与零一致。该结果也与之前的测量结果一致，增强了人们对它们的整体信心，并且在最佳精度上提高了两倍。到目前为止，似乎我们没有证据表明电子具有EDM。

虽然可能不如非零值那么令人兴奋，但我们对eEDM可能大小的新上限具有实质性的意义。如果我们假设任何新的CP破坏场都以类似于电磁场的强度（标准模型中的中间耦合强度，介于代表弱力和强力的场之间）与电子耦合，那么我们的测量意味着与其相关的粒子的质量必须大于约40万亿电子伏特。这个限制将使其远远超出LHC可以直接发现的粒子的最高质量。

这个结果，以及其他最近的eEDM测量结果，让许多期望新场存在于这个能量尺度以下的人感到惊讶。一种可能的解释是，这些场以这样一种方式与标准模型耦合，以至于它们对eEDM的贡献只是间接的，因此对于给定的质量来说，比上面的估计假设的要小。研究人员或许可以通过对夸克构成的其他粒子进行EDM的补充测量来证实这种可能性，在这些粒子中，耦合可能有所不同。目前正在进行中子和汞核的此类测量，并且计划进行更多测量。

另一种可能性是，新的场能量略高或耦合较小，超出了我们实验的范围，但下一代eEDM测量可以访问。我预计未来十年左右将看到精度的显着提高。在JILA，我们已经在研究使用另一种分子，氟化钍，它具有更强的内部电场，以进一步增加观测时间，或许可以达到20秒。我们还计划通过在一个长真空室中并行运行多个实验，使用数十个独立的陷阱，来部分解决我们在可以捕获的分子数量方面的劣势。

我们预计，来自世界最佳分子束实验的最新迭代，ACME III项目（“先进冷分子EDM”的缩写），将取得重大进展，该项目位于西北大学，科学家们正在改进其分子束的焦点，以延长他们的测量时间。与此同时，其他物理学家正在研究使用激光冷却技术捕获中性分子的方法。这种方法有可能结合长测量时间和大量电子的优点。加拿大研究人员的一项雄心勃勃的计划旨在研究限制在冷冻惰性气体固体晶体内的分子。这种技术可以实现每次拍摄测量大量电子，但这仍然有待观察固体中其他附近原子的场将如何影响测量。

最终，我们希望要么探测到电子中的电偶极矩，要么将可能的尺寸限制到足以有效地排除科学家们设想的用于解释我们的反物质之谜的场和粒子的类型。我们知道，我们所居住的物质宇宙之所以如此，一定有某种原因——问题是我们需要多久才能发现它。