时间反演对称性的实验检测
– 寻找镭-225原子固有的电偶极矩


固有的电偶极矩(EDM)是P-、T-、 CP-不对称的一个表现。通过测量这个物理量,可以加深对CP-不对称的认识,并可以由此寻找未知的物理定律。我们要测量镭-225(225Ra)原子的EDM,目标是要在这一类EDM的测量基础上把精度再提高两个数量级。根据基本粒子物理理论,在通向这个目标的路上有较大可能性发现标准模型之外的新物理。

选择这个同位素是因为考虑到它的几个关键的原子与原子核性质。它的原子核有明显八极变形,使得它的EDM更容易被新物理所表现出来。目前,原子EDM测量精度最高的实验用的是稳定同位素汞-199(199Hg)。与199Hg相比,225Ra对核介质内的P-、T-不对称效应的灵敏度要高出3个数量级,有可能更高。225Ra的原子核自旋为1/2,原子的电子角动量为0,于是原子与原子核的总角动量为1/2,这样可以避免或者极大地减小测量EDM的各种系统误差。225Ra有一个弱点,它是放射性同位素,半衰期约15天。所幸的是,核物理实验已经发展了加速器与重核衰变两种方法来制备225Ra,可以满足本实验需要。

图1. 固有的电偶极矩(EDM)是T-不对称的一个表现。在时间反演下,自旋方向反转,而电偶极矩方向不变。如果原子同时有自旋和电偶极矩,那么时间反演就会改变原子的一些固有性质,这样,时间反演对称性就被破坏了。

用冷原子方法测量EDM步骤如下:先把225Ra原子注入磁光阱,激光冷却至30 μK左右后将原子转入光偶极阱,移动光偶极阱带原子进入均匀磁场与电场区域,用光泵浦方法将原子角动量横向极化,让角动量进动一段时间后再次用光泵浦法探测角动量方向,以此得到角动量进动频率。进动频率随电场翻转而变既是要测的EDM信号。

镱-171(171Yb)是稳定同位素,具有和225Ra类似的原子跃迁性质,特别适合作为225Ra EDM实验系统的前期验证,在前期阶段比直接用225Ra更有效。另外,下一阶段测量225Ra EDM必须用171Yb来同时同地测量磁场,校正由磁场引起的进动频率变化。我们提出发展冷原子实验技术,首先搭建一套测量171Yb EDM实验装置,探索各种系统误差源,为第二阶段测量225Ra EDM做准备。

图2. 电偶极矩中心测量装置。一对线圈产生四极磁场,以便用激光将原子从一个光偶极阱压缩至另一个驻波偶极阱。两个偶极阱都穿过并在一对铜电极板之间交接原子。(Tom O’Connor作图)

相关文献


  1. First measurement of the atomic electric dipole moment of 225Ra
    R. H. Parker, M. R. Dietrich, M.R. Kalita, N.D. Lemke, K. Bailey, M.N. Bishof, J. P. Greene, R. J. Holt, W. Korsch, Z.-T. Lu, P. Mueller, T. P. O'Connor, J.T. Singh
    Physical Review Letters, 114, 233002 (2015)
    DOI:10.1103/PhysRevLett.114.233002, arXiv:1504.07477
    (see accompanying Physics Synopsis)
  2. Laser-trapping of Ra-225 and Ra-226 with repumping by room temperature blackbody radiation
    J. R. Guest, N. D. Scielzo, I. Ahmad, K. Bailey, J. P. Greene, R. J. Holt, Z.-T. Lu, T. P. O'Connor, D. H. Potterveld
    Physical Review Letters 98, 093001 (2007)
    Abstract / (PDF / physics/0701263)

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