追寻物质的起源之谜-复杂的实验持续两年,寻找“新物理学”

时间:2020-04-06 18:41 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

追寻物质的起源之谜-复杂的实验持续两年,寻找“新物理学”

保罗·谢勒研究所(PSI)的研究人员比以往任何时候都更精确地测量了中子的特性。在这个过程中,他们发现基本粒子的电偶极矩比之前假设的要小得多。与此同时,这种偶极矩帮助解释宇宙中所有物质起源的可能性也越来越小。研究人员利用PSI条件下的超冷中子源获得了这一结果。他们今天在《物理评论快报》杂志上报告了他们的研究结果。

大爆炸既创造了宇宙中的物质,也创造了反物质。至少根据现有的理论是这样。然而,既然这两种物质相互湮灭,那么一定有剩余的物质存留至今。造成这种物质过剩的原因是物理学和天文学中最大的谜团之一。研究人员希望在中子的帮助下找到这种潜在现象的线索,中子是原子中不带电的基本构件。假设:如果中子有所谓的电偶极矩(简写为nEDM),其非零值可以测量,这可能是由于同样的物理原理,这也可以解释大爆炸后物质的过剩。

追寻物质的起源之谜-复杂的实验持续两年,寻找“新物理学”

50000年的测量

对内波分复用的研究可以用日常语言来表达,即中子是不是一个电子罗盘的问题。人们早就知道,中子是一个磁罗盘,它对磁场有反应,或者用技术术语来说:它有磁偶极矩。另外,如果中子也有电偶极矩,它的值就会小得多。因此更难测量。之前其他研究人员的测量结果也证实了这一点。因此,PSI的研究人员在最近的测量中不得不竭尽全力使局部磁场保持恒定。每一辆在PSI附近行驶的卡车都会对与实验相关的磁场产生一定程度的扰动,因此必须计算并从实验数据中去除这种影响。

此外,观察到的中子数必须足够大,以提供测量nEDM的机会。因此,PSI的测量持续了两年。测量了所谓的超冷中子,即速度相对较慢的中子。每隔300秒,就会有一个8秒长、包含1万多个中子的束被引导到实验中并进行检查。研究人员总共测量了5万个这样的包裹。

即使是有着大型研究设施的PSI,这也是一项相当广泛的研究。PSI的nEDM项目研究员Philipp Schmidt-Wellenburg说。但是,如果我们要寻找超越标准模型的物理学,这正是我们目前所需要的。

寻找新物理;

这一新结果是由一组来自欧洲和美国18所研究所和大学的研究人员得出的,其中包括苏黎世联邦理工学院、伯尔尼大学和瑞士弗里堡大学。他们收集的数据来自psi的超冷中子源。研究人员在那里收集了两年多的测量数据,并在两个团队中对其进行了非常仔细的评估,从而获得了比以往任何时候都更准确的结果。

nEDM研究项目是探索新物理的一部分。这将超越所谓的标准模型。欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)等更大型的设施也在寻求这一目标。欧洲核子研究中心的研究范围很广,一般都在寻找新的粒子及其特性。Schmidt-Wellenburg解释道。另一方面,我们正在深入研究,因为我们只研究了一个粒子的特性,中子。然而,作为交换,我们在这一细节上取得了LHC在100年后才能达到的精确度。

“;最终,”;与施密德-韦伦堡一样是PSI粒子物理实验室研究员的格奥尔格·比森说,在宇宙学尺度上的各种测量显示出与标准模型的偏差。相比之下,还没有人能够在实验室里重现这些结果。这是现代物理学中非常重要的问题之一,也是使我们的工作如此令人激动的原因。

甚至还计划进行更精确的测量

通过最新的实验,研究人员证实了先前的实验室结果。我们目前的结果也产生了一个nEDM的值,这个值太小了,用迄今为止使用的仪器是无法测量的。这个值太接近于零了。Schmidt-Wellenburg说。因此,中子帮助解释物质过剩的可能性已经降低了。但仍不能完全排除这种可能性。无论如何,科学感兴趣的是nEDM的确切价值,以便发现它是否可以用来发现新的物理。

因此,下一个更精确的测量已经在计划之中。当我们在2010年在PSI启动超冷中子的电流源时,我们已经知道实验的其余部分不能很好地完成。因此,我们目前正在进行一项规模更大的实验。解释了野牛。PSI的研究人员预计,到2021年,他们将开始对nEDM进行下一系列的测量,进而在精度上超过目前的测量。

在过去的十年中,我们积累了大量的经验,并能够利用这些经验不断优化我们的实验。关于我们的中子源,以及在粒子物理学中对这些复杂数据的最佳评价,Schmidt-Wellenburg说。目前的出版物树立了一个新的国际标准。

参考文献:测量中子的永久电偶极矩C. Abel等人,2020年2月28日,《物理评论快报》。

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.081803

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