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2. 实验装置示意图
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。
我们搭建完成的171Yb EDM实验测量装置如图2所示。EDM测量实验中，先把171Yb原子注入磁光阱（MOT），激光冷却至20 μK左右后将原子转入一束可移动光偶极阱（Moveable ODT），移动可移动光偶极阱带原子进入均匀磁场与电场区域，然后将原子装载进入另一束固定光偶极阱（Stationary ODT），我们最终在固定光偶极阱中进行EDM测量，通过分别测量电场与磁场平行和反平行下原子核自旋的拉莫进动频率，对两者做差，即可得到EDM信号。
在171Yb EDM测量实验中，我们利用缀饰光原理发展出一种针对原子自旋态的量子非破坏测量方法，把测量中的技术噪声压低到量子投影噪声极限以下，该方法与225Ra EDM测量实验中使用的传统自旋态测量方法相比，极大地提高了自旋态的测量效率。同时，我们将自旋进动的相干时间提升到300秒以上，对15 Hz的核自旋进动频率实现了100 nHz的测量精度。在精度大幅度提升的前提下，我们首次观察到光偶极阱中的宇称混合效应，并通过对光偶极阱的精确操控成功抑制该项系统误差。在此基础上，我们对171Yb原子的固有电偶极矩进行首次测量，得到其电偶极矩小于1.5×10-26 e·cm（95% 置信区间）的上限结果。未来，我们计划从提升电场强度，压低磁场噪声和发展共磁力仪方法等方面来进一步提升171Yb原子固有电偶极距的测量精度。
