ACME 电子电偶极矩精密测量实验

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实验介绍

目前全世界最精确的电子电偶极矩(electron Electric Dipole Moment, eEDM)上限的测量结果, |de|<1.1×10-29e cm (90% c.l.),是由第二代ACME 实验于2018年10月发布的.这个结果比之前由2014年第一代ACME实验所测得的当时的最小上限精确了近十倍. 这一结果极大地约束了超越标准模型所预言的3-30TeVc-2范围内新粒子的时间反演对称性.下一代(第三代)ACME实验将会有多个升级,包括: 1) 能汇聚分子束提升信号强度接近20倍的六极电场分子透镜; 2) 四倍更长的分子角动量相干时间; 3) 两倍提升探测器量子效率的硅光电倍增管(SiPM); 4) 对上一代测量多余噪音的消减以达到散粒噪声极限(shot-noise-limit),及其他多项提升.我们期待在数月之后能达十倍于ACME第二代的电子电偶极矩灵敏度. 请保持关注!

(浏览 电子电偶极矩网站 获得ACME实验更多信息)

 

the hexapole electrostatic lensACME实验使用缓冲气体冷却的重极性分子ThO来测量电子电偶极矩. 在ThO分子处于电场中时,由于电子电偶极矩的存在会导致某些分子态能级会发生微小的移动.电子电偶极矩对于超越标准模型的物理有重大意义.

ThO分子由脉冲激光轰击样品后经缓冲气体冷却 (Cryogenic buffer gas cooling) 从腔室内飞出形成分子束. 之后分子进入磁屏蔽 (Magnetic shielding) 区域,激光将分子制备到对电子电偶极矩最灵敏的‘H’态,然后被另一束泵浦光极化角动量.在此之后, 电子角动量在均匀的电场和磁场中进动, 进动角 (precession angle) 依赖于电子电偶极矩大小. 之后进动角被激光读出.电子电偶极矩可以由反转电场方向条件下的进动角之差得出.

无论是原子电偶极矩,中子电偶极矩还是电子电偶极矩测量实验,测量原理都与上述原理类似. 本实验有以下几大特点进一步增强了对电子电偶极矩的灵敏度:

 

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  • 极性分子. 极性分子是目前已知对电子电偶极矩最敏感的系统.其分子内原子间电场可达几十吉伏/厘米 (gigavolts per centimeter, GV/cm), 几乎是实验室可制备电场强度大小的数百万倍. 由于电子电偶极矩的能量正比于其所在电场强度大小,分子的电子轨道上的电子会经历较强的电场并且产生相对较大的能级移动. 对于ThO分子计算表明该分子内原子间电场可达 84GV/cm,为目前已知分子之最.
  • 分子原位磁强计.某些情况下漏电磁场也会导致分子能级移动, 而被误认为是电子电偶极矩所引起的. 本实验中的分子的‘H’态能级结构中有奇偶能级对 (Parity Doublet).该能级对在零场时相差数百kHz, 因此可以被很小的外部电场极化, 而该能级对在电子电偶极矩影响下的能级移动大小相同, 方向相反. 选用能级对中不同能态相当于在不反转分子所在外场的方向时,反转分子内部电子所经历的内部电场方向.因此通过选取能级对中的不同能级, 我们可以反转分子内部电场并抵消许多由电磁场引起的系统性误差.
  • 冷分子束. 缓冲气体冷却的分子束的冷却效果受流体效应进一步增强,能形成低温慢速高流量的分子束流. 本实验中的ThO分子束在无需激光减速及Stark减速的条件下,能达到单位立体角内基态分子平均通量10^13 分子/秒及 170米/秒的平均速度.

 

资助

本研究由美国国家科学基金会和美国国家标准与技术研究院资助.