一篇最新發表在《科學》雜志上的論文，題目是《An improved bound on the electron’s electric dipole moment》。這篇論文報告了對電子電偶極矩的最精確的測量，對探索新物理有重要的意義。那么，什么是電子電偶極矩呢？為什么我們要測量它呢？測量方法又是什么呢？這些問題我將在下面一一解答。

電子電偶極矩是一個描述電子內部電荷分布不對稱性的物理量。如果電子是一個完美的點粒子，那么它的電荷分布就是對稱的，沒有電偶極矩。但如果電子有一個內部結構，那么它的電荷分布就可能不對稱，有一個沿著自旋方向的電偶極矩。

測量電子電偶極矩不僅可以探索電子的內部結構，還可以探索新物理。為什么呢？因為電子電偶極矩與時間反演對稱性（T對稱性）有關。T對稱性是指如果我們把時間倒過來，物理規律不變。比如說，如果我們把一個β衰變過程倒過來播放，我們會發現衰變出來的中微子和反中微子的自旋方向發生了改變，這個過程就違反了T對稱性。

在量子場論中，有一個定理叫做CPT定理，它說的是任何一個物理系統都滿足CPT對稱性，也就是說，如果我們同時對一個系統進行電荷共軛、空間反射和時間反演，那么物理規律不會改變。所以，如果我們假設CPT定理成立，那么我們就可以推出T違反等價于CP違反。在T對稱性被破壞的情況下，物理系統就會區分左右手坐標系，也就會產生一個與自旋方向相關的物理量——電偶極矩。

那么，T對稱性為什么會被破壞呢？這就涉及到了我們宇宙中的一個重大謎團：為什么物質比反物質多？我們知道，在大爆炸之后，宇宙中應該有相等數量的物質和反物質，它們相互湮滅，只留下一些光子。但是，我們觀察到的宇宙卻是由物質主導的，反物質幾乎沒有。這意味著，在宇宙的早期，物質和反物質之間有一些不對稱的過程，導致了物質的優勢。

這些不對稱的過程必然違反了T對稱性，也就是說，如果我們把時間倒過來，物質和反物質的行為就會不一樣。那么，這些不對稱的過程是什么呢？我們目前還不知道。我們只知道，在標準模型中，T對稱性是被破壞的，但是破壞程度太小，不能解釋宇宙中的物質反物質不平衡。所以，我們需要尋找一些超出標準模型的新物理理論，來解釋這個謎團。

這些新物理理論通常包含一些新的粒子和相互作用，它們可以與電子發生虛擬的碰撞，改變電子的性質。比如說，如果存在一些很重的粒子，它們的相互作用違反了T對稱性，那么它們就會在電子周圍產生一個虛擬的電場，使得電子產生一個電偶極矩。這個電偶極矩的大小與這些新粒子的質量和相互作用強度有關。所以，如果我們能夠測量出電子電偶極矩的大小，或者給出一個上限值，我們就可以對這些新物理理論進行檢驗或者限制。

根據一些理論預測 ，如果這些新粒子的質量在1-100 TeV/c2之間，那么電子電偶極矩的大小應該在10^-27到10^-30 e·cm之間。這個范圍已經超出了現有或者未來幾十年內可能建造的粒子加速器能夠直接探測到的范圍。所以，通過測量電子電偶極矩，我們可以探索一些加速器無法觸及的新物理領域。

要測量電子電偶極矩并不容易，因為電子電偶極矩非常小，而且受到很多干擾因素的影響。為了提高測量靈敏度，我們需要給電子施加一個很大的外加電場，并且讓電子在這個電場中保持很長時間。但是，在真空中操縱單個自由電子非常困難。所以，我們采用了一個巧妙的方法：利用分子離子中存在的巨大內部電場。

分子離子是由多個原子核和若干個電子組成的帶正電荷的分子。分子離子中有一種特殊類型叫做極性分子離子，它們的電子云分布不均勻，導致分子兩端有不同的電荷，形成一個分子電偶極矩。這個分子電偶極矩在分子內部產生了一個很強的電場，可以達到幾十億伏特每厘米。這個電場對分子中的每個電子都有作用，相當于給電子施加了一個外加電場。如果電子有一個電偶極矩，那么它就會在這個電場中感受到一個力矩，使得它的自旋發生進動。這個進動的角速度就是我們要測量的量，它與電子電偶極矩成正比。

為了測量這個進動的角速度，我們需要用一種特殊的技術叫做雙共振光泵測量。這種技術的原理是這樣的：我們首先用一束激光來制備分子離子的量子態，使得它們處于一個自旋向上和向下的疊加態。然后我們用另一束激光來探測分子離子的自旋方向，測量它們發出的熒光信號。如果分子離子沒有受到任何干擾，那么它們的自旋方向不會改變，熒光信號也不會改變。但是，如果分子離子有一個電偶極矩，在內部電場中自旋發生了進動，那么它們的自旋方向就會改變，熒光信號也會隨之改變。通過測量熒光信號隨時間的變化，我們就可以得到進動的角速度，從而得到電子電偶極矩。

當然，實驗中還有很多細節和困難需要解決。比如說，我們需要選擇一種合適的分子離子來進行實驗。我們選擇了氟化鉿（HfF ）這種分子離子，因為它有很多優點：它有一個很大的內部電場，它有一個很穩定的量子態，它可以被有效地激發和探測，它對外界磁場和溫度變化不敏感。我們還需要制備出足夠數量和純度的HfF 分子離子，并且讓它們在真空中飛行一段距離（約為1米），以便進行光泵測量。我們還需要消除或者控制一些可能影響測量精度的系統誤差，比如說激光頻率和強度的波動、分子離子速度和方向的分布、剩余氣體和背景光的干擾等等。

經過了幾年的努力，研究人員終于完成了對氟化鉿分子離子中電子電偶極矩的測量，得到了一個非常接近于零的結果。這個結果表示，我們沒有發現電子電偶極矩的存在，只能給出一個上限值。這個上限值比之前的最佳結果提高了約2.4倍，也比標準模型的預測值小了約11個數量級。這個結果對一些超出標準模型的新物理理論提出了嚴格的限制，比如說超對稱理論、左右對稱模型、多維空間模型等等。