近日，TRIUMF的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)取得突破性技術(shù)成就，成功產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄數(shù)量的超冷中子(UCN)。6月13日，TRIUMF超冷先進(jìn)中子源(TUCAN)合作組成員借助TRIUMF 520 MeV回旋加速器產(chǎn)生的束流生成一批中子，隨后利用世界領(lǐng)先的新型低溫基礎(chǔ)設(shè)施，將它們冷卻至約0.003開(kāi)爾文(略高于絕對(duì)零度)。這一成果延續(xù)了2017年加拿大首次生產(chǎn)超冷中子的成功，創(chuàng)造了加拿大超冷中子生產(chǎn)的新紀(jì)錄，也為探索“宇宙為何由物質(zhì)構(gòu)成”這一宇宙最持久謎團(tuán)開(kāi)啟了新大門(mén)。
溫尼伯大學(xué)加拿大一級(jí)研究主席、TUCAN合作項(xiàng)目聯(lián)合發(fā)言人杰夫·馬丁教授表示：“我們啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)造超冷中子生產(chǎn)的新世界紀(jì)錄。如今已打破加拿大自己的紀(jì)錄，新成果表明，世界紀(jì)錄近在咫尺。”TRIUMF一直以超冷精度追尋亞原子世界的線(xiàn)索，試圖解答宇宙尺度的重大問(wèn)題。
不起眼的中子雖不帶電荷，卻存在于除氫原子外的每個(gè)原子中，可能為理解主宰宇宙的力量提供重要線(xiàn)索。在2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之前，標(biāo)準(zhǔn)模型的最大缺陷之一就是無(wú)法解釋宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)的原因。宇宙大爆炸后，物質(zhì)和反物質(zhì)本應(yīng)等量形成并全部湮滅成純能量(光子形式)，但物質(zhì)卻占據(jù)主導(dǎo)，形成了如今以物質(zhì)為主的宇宙，從基本粒子夸克到巨大行星和恒星皆是如此。
解釋早期物質(zhì)多于反物質(zhì)現(xiàn)象的一個(gè)可能線(xiàn)索在于中子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。中子由三個(gè)帶電夸克組成，總電荷為零，但若夸克排列不對(duì)稱(chēng)，中子內(nèi)部可能出現(xiàn)微小的電荷分離，即中子電偶極矩(nEDM)。這種微小而短暫的電極性矩會(huì)改變中子與物質(zhì)的相互作用方式。
若中子電偶極矩存在，其數(shù)值將無(wú)窮小。若將中子拉伸到地球大小，它只有一根頭發(fā)絲那么寬。測(cè)量如此微弱信號(hào)，需將中子冷卻到接近絕對(duì)零度(約0.003開(kāi)爾文)，以捕獲并精確研究。目前，科學(xué)家只能探測(cè)到大于1.1×10?²? e - cm的中子電偶極矩。TRIUMF的實(shí)驗(yàn)及世界各地其他類(lèi)似實(shí)驗(yàn)正競(jìng)相將這一極限提升至1×10?²? e - cm，靈敏度提高約10倍。精度飛躍有助于探測(cè)到非常微弱的偶極矩信號(hào)，進(jìn)而證實(shí)夸克之間的相互作用可能是宇宙物質(zhì)形成的原因。
制造超冷中子(UCN)需先產(chǎn)生快中子，再用先進(jìn)低溫技術(shù)冷卻。自然狀態(tài)下，中子被束縛在原子核中，第一步是產(chǎn)生自由中子。在TRIUMF的UCN設(shè)施中，來(lái)自主回旋加速器的高能(480 MeV)質(zhì)子撞擊鎢靶，鎢靶中富含中子的原子核碎裂并釋放出快中子。
這些中子分三個(gè)階段冷卻。首先，穿過(guò)室溫重水，溫度降至約300 K;接著，穿過(guò)液態(tài)氘，溫度降至約20 K;最后，進(jìn)入溫度為0.9 K的超流氦，量子相互作用使它們發(fā)射聲子、釋放能量，直至達(dá)到約0.003 K的超低溫。這些中子最初速度超過(guò)10,000公里/秒，后被減速到5米/秒以下，相當(dāng)于短跑運(yùn)動(dòng)員的速度。
馬丁教授稱(chēng)：“沒(méi)有什么比打開(kāi)一個(gè)簡(jiǎn)單的閥門(mén)，看著中子涌入探測(cè)器更令人欣喜的了。亞原子粒子能夠如此緩慢地跳躍和移動(dòng)，這真是一種神奇的體驗(yàn)。
在UCN裝置的當(dāng)前迭代中，研究人員跳過(guò)了液態(tài)氘步驟，這是真正開(kāi)始大量釋放中子前唯一剩下的關(guān)鍵步驟。完成這一步驟后，該設(shè)施每束脈沖探測(cè)到的中子數(shù)量將從94萬(wàn)個(gè)提升至驚人的5700萬(wàn)個(gè)，屆時(shí)將準(zhǔn)備好采集nEDM的數(shù)據(jù)。
TRIUMF研究科學(xué)家兼TUCAN合作者Rüdiger Picker博士表示：“TRIUMF是世界上唯一一個(gè)在加速器設(shè)施內(nèi)配備如此齊全低溫基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)施。今年完成更多測(cè)試、安裝液氘低溫恒溫器，并在2026年完成一些準(zhǔn)備工作后，期待在2027年開(kāi)始獲取nEDM數(shù)據(jù)。”
TRIUMF產(chǎn)生的超冷中子為迄今為止超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)最靈敏的測(cè)試之一奠定了基礎(chǔ)。若實(shí)驗(yàn)成功，將有助于解釋導(dǎo)致我們這個(gè)充滿(mǎn)物質(zhì)的宇宙以及人類(lèi)自身存在的不平衡現(xiàn)象。
TUCAN合作項(xiàng)目衷心感謝眾多支持者和資助者，包括加拿大創(chuàng)新基金會(huì)、加拿大研究主席計(jì)劃、BC知識(shí)發(fā)展基金、曼尼托巴研究中心、加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì)(NSERC)、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)、核物理研究中心和大阪大學(xué)、山田科學(xué)基金會(huì)、村田科學(xué)基金會(huì)、京都大學(xué)和墨西哥國(guó)立自治大學(xué)。
