瑞士PSI超冷中子实验未发现镜像中子迹象

瑞士保罗·谢勒研究所(PSI)超冷中子物理小组近日表示，其研究团队在一项高精度实验中未发现普通中子自发转化为“镜像中子”的证据。研究人员称，该结果基本排除了此前关于中子—镜像中子振荡异常信号的主要参数空间，也削弱了镜像中子作为暗物质组成部分的可能性。

伯恩哈德·劳斯(左)和盖扎·齐格蒙德在保罗·谢勒研究所(PSI)的超冷中子源中检测了约250亿个中子。他们基本排除了中子自发转化为镜像中子的假设。(图片由保罗·谢勒研究所PSI/马库斯·费舍尔提供)

镜像世界理论最早可追溯至20世纪50年代，用于解释粒子物理中与宇称对称性守恒相关的问题。按照这一设想，每一种普通基本粒子都可能存在一个“镜像对应物”，二者质量几乎相同，但手性相反。对于中子而言，理论上普通中子可能在极罕见情况下转化为镜像中子，并从常规探测中“消失”，这一过程被称为中子—镜像中子振荡。

不过，这类振荡极难捕捉。理论预测中子与镜像中子的振荡时间可能短至几十秒，但普通物质、镜像物质以及普通或镜像磁场等环境因素都会抑制这一过程。为降低干扰，研究人员通常使用温度极低、运动速度很慢的超冷中子开展实验。

在本次研究中，PSI研究人员联合苏黎世联邦理工学院、克拉科夫雅盖隆大学等机构，利用PSI超冷中子源开展测量。实验中，研究团队通过超热慢化技术，在冷却至5 K的氘晶体中产生超冷中子，并将其储存在真空条件下的不锈钢非磁性容器内。此次实验累计检测约250亿个中子，为同类研究提供了更高灵敏度。

实验装置外部布置了8个矩形线圈，用于产生并精确调控磁场。研究团队在5至109微特斯拉范围内扫描磁场，并改变磁场方向，以覆盖预期可能发生中子—镜像中子振荡的相关区域。每隔约6分钟，研究人员将约150万个中子释放至基于气体电子倍增器的中子探测器中，统计储存200秒后仍留在容器中的中子数量。该过程持续数月，并结合苏黎世联邦理工学院EULER计算集群开展模拟，对理论跃迁概率与实测中子损失进行比对。

研究人员表示，在测试条件下没有发现中子转化为镜像中子的证据。PSI研究人员伯恩哈德·劳斯称，此前声称可能存在信号的参数空间已被排除99.98%。他还表示，该结果也排除了镜像中子作为相关暗物质粒子的可能性。

研究团队表示，后续仍计划研究理论上在零镜磁场条件下可能出现的中子—镜像中子跃迁，以进一步收紧限制。不过，研究人员也指出，继续提高实验灵敏度将非常困难。例如，若要将灵敏度提高一倍，需要约16倍的中子数量，因为实验灵敏度与中子数量的四次方根相关。