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{{NoteTA|G1=物理學}}
'''中子電偶極矩'''衡量[[中子]]內部[[電荷|正電荷]]與負電荷的分佈。只有當正電量心與負電量心不重疊在同一位置時，電偶極矩才不等於零。至今為止，科學家尚未發現中子電偶極矩的蛛絲馬跡。現在中子電偶極矩的最準確上限為<math>|p_n| < 2.9\times 10^{ - 26}\ e\ \mathrm{cm}\ (90\%C.L.)</math> <ref>{{cite journal
 | last = Baker | first = C. A. | coauthors = et al.
 | date = 2006
 | title =  Improved Experimental Limit on the Electric Dipole Moment of the Neutron
 | journal = [[Physical Review Letters]]
 | volume = 97 | pages = 131801
 | doi = 10.1103/PhysRevLett.97.131801
}}</ref>。

==理論==
[[Image:NEDM P&T violation.png|thumb|right|由於內稟電偶極矩而產生的宇稱（P）破壞和時間反演（T）破壞。]]
{{main|CP破壞}}
假設[[基本粒子]]擁有內稟電偶極矩，則[[宇稱對稱性]]和[[時間對稱性]]（{{lang|en|time symmetry}}）都會被破壞。舉例而言，思考中子的[[磁偶極矩]]和假定的電偶極矩，這兩種向量的方向必需相同。但是，時間反演（T）會逆反磁偶極矩的方向，不會改變電偶極矩的方向<ref group="註">時間反演變換將<math>t</math>改變為<math> - t</math>。一個載流迴圈的磁偶極矩<math>\boldsymbol{\mu}</math>是其所載電流<math>I</math>乘於迴圈面積<math>\mathbf{a}</math>，以方程式表示為<math>\boldsymbol{\mu}=I\mathbf{a}=\frac{\mathrm{d} q}{\mathrm{d} t}\mathbf{a}</math>。注意到電流是電荷量對於時間的導數，所以，時間反演會逆反磁偶極矩的方向。電偶磁矩的兩個參數，電荷量和位移向量都跟時間反演無關，所以，時間反演不會改變電偶極矩的方向。</ref>；空間反演（宇稱）會逆反電偶極矩的方向，不會改變磁偶極矩的方向<ref group="註">空間反演（宇稱）變換是粒子位置坐標對於參考系原點的[[反射]]。電偶極矩是[[極向量]]（{{lang|en|polar vector}}），而磁偶極矩是[[軸向量]]（{{lang|en|axial vector}}），所以，空間反演（宇稱）會逆反電偶極矩的方向，不會改變磁偶極矩的方向。</ref>。電偶極矩的存在破壞了這些對稱性。假定[[CPT對稱性]]（{{lang|en|CPT symmetry}}）正確無誤，則時間破壞也促使[[CP對稱性]]被破壞。

===弱交互作用===
按照前面論述，為了營造有限值電偶極矩，必需先存在有破壞CP對稱性的理論程序。實驗者已經在[[弱交互作用]]的實驗中觀測到CP破壞，也已經能夠用標準模型的[[卡比博-小林-益川矩陣]]中的CP破壞[[相位]]來解釋CP破壞。但是，這解釋所獲得的CP破壞數值非常微小，因此對於電偶極矩的貢獻也微乎其微：<math> |p_n| \sim 10^{-32} \ e\ \mathrm{cm} </math> <ref>
{{cite arxiv
 | last = Dar | first = S.
 | year = 2000
 | title =  The Neutron EDM in the SM : A Review
 | class = hep-ph | eprint = hep-ph/0008248
}}</ref>。遠遠低於現在最精密實驗所能測量到的數值。電偶極矩實驗可以用來核對很多從標準模型延伸的嶄新理論，例如如[[最小超對稱標準模型]]（{{lang|en|minimal supersymmetric standard model}}）、[[左右對稱模型]]（{{lang|en|left-right symmetric model}}）等等。這些理論估計的電偶極矩數值在可核對值域內。

===物質與反物質不對稱===
{{main|重子產生過程}}
{{unsolved|物理學|為什麼宇宙中的物質比反物質多很多？}}
從宇宙的物質與[[反物質]]不對稱現象，科學家覺得在[[大爆炸]]的初期，可能會有某種涉及CP破壞的機制，湮滅了大部分的反物質。[[安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫|安德烈·萨哈罗夫]]對於這過程做了很縝密的分析<ref>{{Citation
  | last = 薩哈羅夫
  | first = 安德烈
  | author-link = 安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫
  | title = Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe
  | journal = JETP Letters
  | volume = 5
  | issue = 1
  | pages = pp.24-27
  | year = 1967
  | url = http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1643/article_25089.shtml
  | accessdate = 2011-02-15
  | archive-date = 2019-07-21
  | archive-url = https://web.archive.org/web/20190721042528/http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1643/article_25089.shtml
  | dead-url = no
  }}</ref>。科學家懷疑[[CP破壞]]的涉及程度很大，這意味著或許標準模形給出的電偶極矩過低，可能需要加以延伸<ref>{{Citation
  | last = Bigi
  | first = I. I.
  | last2 = Sanda
  | first2 = Ichiro
  | title = CP violation
  | publisher = Cambridge University Press
  | year = 2000
  | edition = illustrated
  | pages =pp. 355ff
  | isbn = 9780521443494}}
</ref>。假若，測量到的電偶極矩數值能夠比標準模型預測值高很多，則這懷疑的正確性就可以得到合理解釋。

===強交互作用===
{{unsolved|物理學|為甚麼強核作用力具有CP不變性？}}
由於中子是由三個[[夸克]]組成的，中子會遭受到源於[[強交互作用]]的CP破壞。[[量子色動力學]]──描述[[強作用力]]的學術領域──自然地含有一個摧毀CP對稱性的項目。這項目的強度是以[[角]]<math>\theta</math>表達。現在的中子電偶極矩極限值要求<math>\theta<10^{-10}\mathrm{rad}</math>。但是，科學家認為<math>\theta</math>的數量級應該是1；這關於角<math>\theta</math>的[[精細調整]]（{{lang|en|fine-tuning}}），稱為「強CP問題」。

===超對稱CP問題===
標準模型的[[超對稱]]延伸，例如[[最小超對稱標準模型]]（{{lang|en|minimal supersymmetric standard model}}），通常會導致出很大的[[CP破壞]]。這理論對於中子電偶極矩的典型預測值域大約在<math>10^{ - 25}\ e\ \mathrm{cm}</math>與<math>10^{ - 28}\ e\ \mathrm{cm}</math>之間<ref>{{citation
 | last = Abel | first = S. | last2 = Khalil
 | last3 = Lebedev
 | year = 2001
 | title =  EDM constraints in supersymmetric theories
 | journal = Nuclear Physics B
 | volume = 606 | pages = 151
 | doi = 10.1016/S0550-3213(01)00233-4 | first2 = S. | first3 = O.
}}</ref><ref>
{{cite journal
 | last = Pospelov | first = M. | last2 = Ritz
 | year = 2005
 | title =  Electric dipole moments as probes of new physics
 | journal = Annals of Physics
 | volume = 318 | pages = 119
 | doi = 10.1016/j.aop.2005.04.002 | first2 = A.
}}
</ref>。如同[[強交互作用]]案例，中子電偶極矩的上限已經在局限著CP破壞[[相位]]；但是，需要實施的精細調整還不很嚴峻。

==實驗方法==
應用[[磁共振|拉姆齊磁共振]]技術，將互相平行與反平行的[[磁場]]與[[電場]]施加於中子，然後測量其[[自旋]]的[[拉莫爾進動]][[頻率 (物理學)|頻率]]。這是萃取中子電偶極矩的一種優良實驗方法。兩種案例的進動頻率分別為
：<math> h\nu = 2\mu_n B \pm 2d_n E </math>；

其中，<math>h</math>是[[普朗克常數]]，<math>\nu</math>是進動頻率，<math>\mu_n</math>是中子磁偶極矩，<math>B</math>是磁場，<math>d_n</math>是中子電偶極矩，<math>E</math>是電場。

磁偶極矩環繞磁場的進動與電偶極矩環繞電場的進動，這兩種進動造成了頻率的增加或減少。從這兩種頻率的差值，可以立刻得到對於中子電偶極矩的衡量：
<math> p_n = \frac{h\Delta\nu}{4E} </math>。

這實驗遭遇到的最大挑戰（同時是最大的系統性偽效應），在做測量時，磁場必需維持穩定不變。

==歷史==
[[Image:NEDM limit history.png|300px|thumb|right|各種實驗得到的中子電偶極矩測量值的上限。標準模型和其超對稱延伸的預測值域分別以淡藍色、黃色表示。]]
最早尋找中子電偶極矩的實驗是使用[[中子溫度|熱中子束]]（後來改為冷中子束）做測量。於1957年，J. H. Smith、[[愛德華·珀塞爾]]和[[諾曼·拉姆齊]]共同發表論文，宣告完成中子電偶極矩實驗，獲得上限為<math>|p_n| < 5\times 10^{ - 20}\ e\ \mathrm{cm}</math> <ref>{{cite journal
 | last = Smith | first = J. H. | last2 = Purcell | first2 = E. M.
 | last3 = Ramsey | first3 = N. F.
 | year = 1957
 | title =  Experimental Limit to the Electric Dipole Moment of the Neutron
 | url = https://archive.org/details/sim_physical-review_1957-10-01_108_1/page/n122 | journal = Physical Review
 | volume = 108 | pages = 120
 | doi = 10.1103/PhysRev.108.120
}}</ref>。一直到1977年，中子電偶極矩實驗都是使用中子束。隨著中子束的中子速度增加，一些相關的系統性效應變得無法克服，使用這方法獲得的最後上限為<math>|p_n| < 3\times 10^{ - 24}\ e\ \mathrm{cm}</math> <ref>
{{cite journal
 | last = Dress | first = W. B. | coauthors = et al.
 | date = 1977
 | title = Search for an electric dipole moment of the neutron
 | journal = [[Physical Review D]]
 | volume = 15 | pages = 9
 | doi = 10.1103/PhysRevD.15.9
}}</ref>。

之後，中子電偶極矩實驗改使用儲存於冷阱內的[[超冷中子]]（{{lang|en|ultracold neutron}}）。於1980年，[[列寧格勒核子物理研究院]]（{{lang|en|Leningrad Nuclear Physics Institute}}）獲得上限為<math>|p_n| < 1.6\times 10^{ - 24}\ e\ \mathrm{cm}\ (C.L 90\%)</math> <ref>{{cite journal
 | last = Altarev | first = I. S. | coauthors = et al.
 | year = 1980
 | title = A search for the electric dipole moment of the neutron using ultracold neutrons
 | journal = Nuclear Physics A
 | volume = 341 | pages = 269
 | doi = 10.1016/0375-9474(80)90313-9
}}</ref>。使用[[水銀原子磁強計]]（{{lang|en|atomic mercury magnetometer}}）補償磁場，[[勞厄-朗之萬研究院]]（{{lang|en|Institut Laue-Langevin}}）的研究團隊，於2006年，獲得上限<math>|p_n| < 2.9\times 10^{ - 26}\ e\ \mathrm{cm}\ (90\%C.L.)</math>。這是至今為止最佳的結果。

==近期實驗==
現在，至少有四組實驗團隊致力於測量中子電偶極矩，目標是在十年內將靈敏度改進至<math>10^{ - 28}\ e\ \mathrm{cm}</math>。這樣，可以涵蓋標準模型超對稱延伸的預測值域。
* [https://web.archive.org/web/20120216171059/http://hepwww.rl.ac.uk/EDM/index_files/CryoEDM.htm] 勞厄-朗之萬研究院正在準備低溫中子電偶極矩實驗。
* [http://nedm.web.psi.ch/]{{Wayback|url=http://nedm.web.psi.ch/ |date=20150925151115 }} [[保羅·謝勒研究院]]（{{lang|en|Paul Scherrer Institute}}）正在為新建成的超冷中子源建造中子電偶極矩實驗。
* [https://web.archive.org/web/20110210021529/http://p25ext.lanl.gov/edm/edm.html] [[橡樹嶺國家實驗室]]的[[散裂中子源]]（{{lang|en|Spallation Neutron Source}}）正在籌畫中子電偶極矩實驗。
* [http://nrd.pnpi.spb.ru/LabSereb/neutronedm.htm]{{Wayback|url=http://nrd.pnpi.spb.ru/LabSereb/neutronedm.htm |date=20110823110347 }} [[彼得堡核子物理研究院]]（{{lang|en|Petersburg Nuclear Physics Institute}}）正在設計規劃的中子電偶極矩實驗。

==参见==
*[[电偶极矩]]
*[[电子电偶极矩]]（{{lang|en|electron electric dipole moment}}）

==註釋==
{{Reflist|group="註"|2}}

==參考文獻==
{{reflist|2}}

==外部連結==
*[[華盛頓大學]]物理系網頁：[https://web.archive.org/web/20101217024700/http://www.phys.washington.edu/users/fortson/intro.html 尋找永久原子電偶極矩]。

{{DEFAULTSORT:Z}}
{{Authority control}}
[[Category:電偶極矩]]
[[Category:粒子物理學]]
[[Category:中子]]