从转瞬即逝的粒子中，寻找宇宙不对称的线索

文 | 张剑宇、李海波

星系、恒星、行星，身边的空气和水，以及组成我们身体的每一个原子，几乎都由物质构成。然而，在通常的早期宇宙图景中，原初物质和反物质应当成对产生。两者一旦相遇，就会彼此湮灭，转化为光等其他粒子。

如果物质和反物质始终完全对称，那么今天这个几乎完全由物质构成的世界，又是如何出现的？

我们今天能够存在，意味着在宇宙演化的早期，物质最终留下了一点极其微小的盈余。可以用一个粗略的数量级比喻来理解：每十亿个反物质粒子，大约对应十亿零一个物质粒子；成对湮灭之后，那个“多出来的一个”留了下来，并最终成为恒星、行星乃至生命的原料。

图 1｜正反物质不对称现象。图片来源：Symmetry Magazine。

物理学家认为，要形成这种物质—反物质的不平衡，一个关键条件是物质过程与相应的反物质过程并不完全对称，也就是存在电荷共轭—宇称联合对称性破坏，即 CP 破坏。然而，标准模型中已经被实验确认的 CP 破坏效应，远不足以解释今天宇宙中如此显著的物质优势。因此，寻找标准模型之外新的 CP 破坏来源，成为粒子物理学的重要前沿之一。

而寻找这些新效应的一类极其灵敏的探针，就是电偶极矩（electric dipole moment，EDM）。

一杯水里的微观“偏心”

要理解什么是电偶极矩，不妨先从一杯水说起。

一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成。虽然整个水分子不带净电荷，但其中正、负电荷的分布中心并不完全重合，仿佛在电学意义上存在一点“偏心”。物理学家用电偶极矩来描述这种电荷分离的程度和方向。也正因为如此，当水分子置于外电场中时，会倾向于沿某一特定方向排列。

（a）水分子 （b）Λ 超子

图 2｜从水分子到 Λ 超子的电偶极矩。图片来源：BESIII 合作组。

一个体系整体不带电，并不意味着它一定没有电偶极矩。

沿着这个直觉继续走向更小的尺度，Λ（Lambda）超子是由上夸克 u、下夸克 d 和奇夸克 s 组成的中性粒子。那么，它是否也存在一丝极其微弱的电学“偏心”？

北京谱仪 III（BESIII）国际合作组最近发表于《Science》的研究，寻找的正是 Λ 超子的电偶极矩[1]。

不过，从水分子走向 Λ 超子，电偶极矩背后的物理含义已经发生了根本变化。水分子的电偶极矩来自分子的空间结构和电荷分布；而对于具有自旋的粒子，其内禀 EDM 必须沿自旋方向或与自旋方向相反，并与自然界的基本对称性密切相连。

其中，一个重要的对称性就是时间反演（T）对称性。

可以想象把一个具有自旋的粒子置于外加电磁场中，然后将整个物理过程“倒放”。在时间反演下，自旋、磁矩和磁场方向都会反转，而电场方向保持不变。磁矩与磁场之间的相互作用在这一变换下仍保持不变；但由于 EDM 与自旋方向相连，EDM 与电场之间的相互作用会发生变化。因此，非零的永久性内禀 EDM 意味着时间反演对称性遭到破坏。

图 3｜Λ 超子在外加电磁场中的时间反演示意。图片来源：BESIII 合作组。

这正是 EDM 与宇宙物质—反物质不对称之谜产生联系的地方。在 CPT 对称性成立的前提下，T 对称性破坏也意味着 CP 对称性破坏。因此，测量 EDM，就相当于把“寻找新的 CP 破坏来源”转化成了一个可以精密检验的问题：粒子是否具有非零的内禀 EDM，也就是这个粒子本身自带的电偶极矩是不是不等于 0。

如果某些未知的新相互作用曾经参与塑造早期宇宙中的物质优势，它们也可能在今天的粒子内部留下极其微弱的 EDM 痕迹。

与转瞬即逝的生命赛跑

科学家已经在电子、中子、原子和分子等多种体系中寻找 EDM 的踪迹。Λ 所属的超子家族含有奇异夸克，因此能够提供一个与其他粒子体系互补的独特窗口。

但问题在于，Λ 实在太“短命”了。

在自身静止参考系中，Λ 的平均寿命只有约 2.6 × 10⁻¹⁰ 秒。对于精密测量来说，它几乎转瞬即逝。

传统的 EDM 实验通常让极化粒子穿过外加电磁场，观察其自旋方向如何进动（即像陀螺一样绕某一方向缓慢转动）。如果粒子具有 EDM，电场就会给这种自旋进动带来额外的微小偏转。效应越微弱，就越需要足够长的时间积累。

对于寿命极短的 Λ 来说，这显然是一个巨大的挑战：实验必须赶在它衰变之前，在极其有限的飞行时间里积累微弱的自旋偏转，再从衰变产物中把这些信息读取出来。

费米实验室曾沿着这一路线开展 Λ EDM 测量。实验利用高能质子轰击铍靶，产生包含 Λ 的中性粒子束流，并让 Λ 穿过磁场。随后，Λ 衰变为质子和 π 介子，研究人员再通过质子的出射方向读取 Λ 的极化信息。

1981 年，研究人员利用此前测量 Λ 磁矩的数据寻找 EDM，给出了 1.5 × 10⁻¹⁶ e·cm 的上限。此后四十多年，由于 Λ 寿命极短，同时又难以获得高极化度的超子束流，Λ EDM 的实验精度始终没有实现数量级上的突破。

要继续向更小的尺度推进，需要一条不同于传统自旋进动实验的新路线。

图 4｜费米实验的自旋进动测量。图片来源：BESIII 合作组。

事实上，这条新路线的理论种子早在三十多年前就已经埋下。

1993 年，中国的理论物理学家提出，可以利用 J/ψ 衰变产生的超子—反超子体系，通过角分布中的 CP 破坏信息间接提取 Λ 的 EDM[2]。

与传统方法不同，这种方法不再要求短寿命的超子在外场中“等待”足够长时间，让微小的自旋偏转逐渐积累，而是直接从粒子产生和衰变过程中留下的自旋关联和角分布信息中寻找 EDM 的痕迹。

此后，中国科学家进一步发展了相关分析方法，特别是建立和完善了基于完整角分布的分析框架，不断提升对 Λ EDM 的实验灵敏度[3,4]。

三十多年后，随着 BESIII 积累了百亿量级的 J/ψ 数据，这一设想终于具备了开展高精度实验检验的条件。

从早期的理论构想，到分析方法的发展，再到大科学装置上的实验实现，这条跨越三十余年的研究脉络，也折射出中国粒子物理长期而持续的积累。

从衰变方向中读出 EDM

BESIII 方法最巧妙的地方，在于它不再依赖 Λ 在外场中长时间积累自旋偏转，而是直接读取 Λ 在产生和衰变过程中留下的量子信息。

在北京正负电子对撞机 BEPCII 上，电子和正电子对撞可以产生大量 J/ψ 粒子。其中一部分 J/ψ 会衰变成一对 Λ 和反 Λ，而两者的自旋处于彼此关联的量子态中。

可以把它们想象成两个彼此“牵连”的微观指南针：虽然 Λ 和反 Λ 朝着不同方向飞离，但它们的自旋信息仍通过量子纠缠紧密关联。

更关键的是，Λ 的弱衰变本身就是一个天然的“自旋分析器”。

当 Λ 衰变成质子和 π 介子时，质子的出射方向会携带母粒子自旋方向的信息；反 Λ 的衰变同样记录着反粒子的自旋信息。

于是，只要足够精确地测量这些末态粒子的运动方向，就可以反推出这对纠缠超子—反超子体系的自旋结构，并进一步从完整的联合角分布中提取 Λ EDM 的信息。

换句话说，过去的实验试图观察 Λ 在外场中“转了多少”；而 BESIII 则直接从它衰变时留下的方向信息中，读取 EDM 可能留下的微弱痕迹。

图 5｜BESIII 的 Λ EDM 测量。图片来源：BESIII 合作组。

在这项发表于《Science》的研究中，BESIII 合作组基于约 100 亿个 J/ψ 事例，筛选出约 300 万个高纯度 Λ—反 Λ 信号事例，并对其完整角分布进行了精细分析。

实验结果没有发现 Λ EDM 显著偏离零，并将 Λ EDM 的测量精度推进到了 10⁻¹⁹ e·cm 量级，相比 1981 年的实验结果提高了约三个数量级。

这一结果进一步压缩了新的 CP 破坏效应可能存在的参数空间，同时也开辟了一条利用纠缠超子—反超子体系研究短寿命重子 EDM 的新实验路径。

Λ 超子含有奇异夸克，因此它的 EDM 测量为寻找与奇异夸克相关的新 CP 破坏来源提供了独特窗口，并与中子、电子、原子和分子等体系中的 EDM 搜索形成互补。

未来，这套方法还可以进一步推广到其他超子体系。

这一次，“新物理指纹”尚未显现，但 BESIII 已将 Λ EDM 的实验灵敏度较此前测量提高了约三个数量级。

即使生命只有不到十亿分之一秒，Λ 超子仍能够借助量子纠缠，把自身的自旋信息写进衰变产物的方向之中。

从一个转瞬即逝的微观粒子里，寻找宇宙演化早期可能留下的痕迹——这或许正是 EDM 测量最迷人的地方：一个极其微小的效应，连接的却是“我们为什么会存在”这样宏大的问题。

[1] BESIII Collaboration, “Measurement of the Λ Electric Dipole Moment with an Entangled Baryon-Antibaryon System,” Science 393, 1027-1030(2026).

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx7334, DOI: 10.1126/science.adx7334

[2] X.G. He, J. P. Ma, Bruce McKellar, “CP violation in J/ψ→ΛΛ” Phys. Rev. D 47, R1744–R1746 (1993). X.G. He, J.P. Ma, “Testing of P and CP symmetries with e⁺e⁻→J/ψ→ΛΛ” Phys. Lett. B 839 (2023) 137834.

[3] F. Zhang, Y. Gao, L. Huo, “An improved method for determining the electric dipole moment of Λ hyperon,” Phys. Lett. B 681, 237–239 (2009).

[4] J. Fu, H.-B. Li, J.-P. Wang, F.-S. Yu, J. Zhang, “Probing hyperon electric dipole moments with a full angular analysis,” Phys. Rev. D 108, L091301 (2023).

https://www.eurekalert.org/news-releases/1142555

（作者分别为中国科学院大学博士后、高能物理研究所研究员）

文章转载自"中国科学院高能物理研究所"公众号