Science：史上最精确！

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原创丨 彤心未泯 （学研汇 技术中心）

编辑丨 风云

研究背景

宇宙中物质和反物质的不平衡为寻找违反电荷宇称对称的未被发现的粒子提供了令人信服的动力。与这些新粒子相关的场的真空波动的相互作用将诱导电子的电偶极矩(eEDM)。

关键问题

然而，eEDM的监测仍存在以下问题：

1、eEDM的预测灵敏度较低

CP对称性在标准模型中被破坏，只在夸克区被破坏，因此与轻子的耦合很弱，预测的电子电偶极矩( eEDM )比目前的实验灵敏度低几个数量级。

2、eEDM的非零测量具有重大意义但挑战性大

高能量的新粒子可诱导更大的eEDM，。在当前实验灵敏度下的非零测量将明确地表明新物理，而与零一致的更精确的测量对物质-反物质不平衡的可能解释施加了挑战性的约束。

新思路

有鉴于此， 美国科罗拉多大学Eric A. Cornell 等人 提出了迄今为止最精确的eEDM测量方法 ，利用分子离子内部的电子，受到巨大的分子内电场的影响，并在长达3秒的时间内相干演化。本工作的结果与零一致，并且比以前的最佳上限提高了~2.4倍。该结果为10 ¹³ 电子伏特以上的新物理学提供了广泛的限制，超出了当前粒子对撞机或未来几十年可能可用的粒子对撞机的直接范围。

 

       

技术方案：

1、概述了本工作的实验过程

作者展示了本工作的实验装置，并详细介绍了具体的实验实施过程以及数据收集过程。

2、评价了测量系统的精度

作者在数据收集之前广泛地搜索了系统位移并给出了总结以评估测量的准确性。

3、测量了eEDM

作者通过1370个数据块，评估了综合统计和系统不确定性比之前的工作提高了~ 37倍，比ACME合作的先前技术水平提高了~ 2倍。

技术优势：

1、提出了迄今为止最精确的eEDM测量方法

本工作测量使用量子投影噪声限制光谱对数百个分子离子的样品进行了长达3秒的监测，结果置信度高达90%以上。

2、将测量结果的最佳上限改进了~2.4倍

本工作的测量上限高达|d _e |＜4.1×10 ^-30 e cm，比之前的最佳上限提高了约2.4倍。

技术细节

实验概述

作者展示了具体的实验装置。为了使分子定向，同时保持约束，以角频率  ^rot =2π×375 kHz旋转定向场，并在这个旋转框架中进行光谱分析。制备了来自每个双重态的一个自旋态的非相干混合物，然后施加一个脉冲来创建每个双重态中两个态的相干叠加，通过状态选择性光解分子并检测产生的Hf ⁺ 离子来计算剩余延伸态的离子数量。

图  实验概述

精度评价

为了评估测量的准确性，作者在数据收集之前广泛地搜索了系统位移并给出了总结。总的来说，调整了各种实验参数的范围，与数据收集期间的范围相比，这些范围很大，夸大了任何伴随的系统效应，并观察了数据通道中的响应。在eEDM通道中直接观察到的唯一位移来自于一个不可逆的四极磁场和两个重偶态之间的磁矩差异，这主要是由外加电场混合了两个重偶态和分子的高旋转水平引起的。

图  Ramsey数据示例

eEDM测量

作者在大约2个月内收集了1370个数据块，对应于~ 620小时的数据和~ 10 ⁸ 个离子检测事件。数据结果符合正态分布，最终统计不确定度为22.8 mHz。

综合统计和系统不确定性，d _e =（-1.3±2.0 _stat ±0.6 _syst ）×10 ^-30 e cm，比之前的工作提高了~ 37倍，比ACME合作的先前技术水平提高了~ 2倍。这一结果与ACME合作的结果是一致的，误差略高于一个标准误差。

图  测量的系统性变化

图   数据集总结

展望

总之，作者 开发了迄今为止最精确的eEDM测量方法 ，通过数据结果统计表明该方法比以前的最佳上限提高了~2.4倍，置信度高达90%，d _e 和C _s 的界限分别提高了16倍和27倍。

参考文献：

TANYA S. ROUSSY, et al. An improved bound on the electron’s electric dipole moment. Science, 2023, 381(6653):46-50.

DOI: 10.1126/science.adg4084

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg4084

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