神秘的不对称性

在宇宙的最初时刻，无数的质子、中子和电子和与它们对应的反物质粒子一起形成。如果宇宙是完全对称的，物质和反物质的数量完全相等，那么故事到此就结束了：随着宇宙的膨胀和冷却，所有的物质和反物质会相遇，然后湮灭，只剩下光子。

然而，我们知道事实却并非如此。一种神秘的不对称性导致一些质子、中子、电子被剩了下来，形成了原子、分子、恒星、行星、星系，以及生活在地球上的我们。这是宇宙历史上一个极其重要的时刻，它的存在也给科学家带来了众多的谜团：为什么物质会突然出现？这种对称性的破缺源自何处？

其实，粒子物理学的标准模型预测了这种对称性的轻微破缺，但并不足以解释我们已观测到的宇宙物质-反物质的不平衡。因此，物理学家认为，应该还存在某些超越了标准模型的新粒子，造成了这种不对称性。

在电子中寻找不对称的迹象

虽然这些粒子尚未被发现，但物理学家认为它们可能会对电子产生影响。电子是基本粒子，它们的对称性与宇宙的对称性有关。一直以来，许多实验物理学家都试图从电子等基本粒子身上发现不对称的迹象。一个寻找不对称证据的方向，就是研究电子的电偶极矩（eEDM）。

在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一组物理学家对电子的电偶极矩进行了破纪录性的测量，比以往任何时候都更精确地证实了——电子中的电荷分布基本上呈完美的圆形。

什么是电子的电偶极矩？我们知道，电子带有负电荷，电偶极矩表示的是电荷在电子的南北两极之间分布的均匀程度。如果电偶极矩的测量结果大于零，那么就预示着不对称性的存在，也预示着电子不是圆形的，而是更像鸡蛋的形状。

要以极高的精度进行测量电子的电偶极矩并非易事。在新的研究中，研究人员使用电离的氟化铪分子进行实验。当在这些带电分子上施加一个强电场时，如果电子是非圆形的，那么它们就会试图与电场对齐，在分子内部移动；如果电子是圆形的，那么电子就不会移动。

最精确的电偶极矩测量

在实际操作中，研究人员先是利用紫外激光剥离了氟化铪分子中的电子，制造出一组带正电的离子。然后，他们使用离子阱将这些离子捕获，并通过在阱的周围施加交替的电磁场，让这些分子被迫与电场对齐或不对齐。接下来，研究人员用激光测量了这两组带电分子的能级变化，如果它们的能级不同，那就表明电子是不对称的。

与之前的研究相比，新的实验设置让研究人员拥有更长的测量时间，从而拥有更高的灵敏度。最终，研究人员以破纪录的精度测量了电子的电偶极矩。不过，他们并没有发现电子具有电偶极矩的证据，新的测量结果表明，这两组分子的能级并没有差异。换句话说，以目前所能达到的最佳测量精度而言，电子几乎是完美的圆形。

具体来说，新的测量结果的精度比之前的最佳测量结果提高了2.4倍。我们可以用一个类比来理解这一精确度：假如一个电子有地球那么大，那么根据新的测量结果，任何不对称的存在，都将小于一个原子半径。

迷雾与希望共存

虽然这一结果并不表明电偶极矩就一定为零，但这种近乎完美的圆，也再一次使粒子物理学家长期以来想要发现奇异新粒子的希望变得渺茫，使理论学家更难解释为什么宇宙中的物质比反物质多。

能够以这种精度进行实验是一项突破性的成就，这表明昂贵的粒子加速器并非探索宇宙基本问题的唯一方法，还有很多方法可以尝试。虽然研究人员并没有通过这项实验发现不对称的迹象，但其结果将有助于物理学家继续寻找早期宇宙中不对称性的答案。

参考来源：

https://www.nist.gov/news-events/news/2023/07/why-does-matter-exist-roundness-electrons-may-hold-clues

https://www.science.org/content/article/measurement-electron-s-shape-dims-hopes-discovery-new-particles

https://www.sciencenews.org/article/electron-round-new-measurement-matter-physics

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

封面图 & 首图：JILA / Steven Burrows