近日，北京谱仪III（BESIII）实验团队利用量子纠缠的Λ-反Λ超子体系，对Λ超子电偶极矩（Electric Dipole Moment，EDM）进行了迄今最精确的测量，将Λ超子EDM的测量精度推进至10⁻¹⁹ e·cm量级，相比1981年的实验结果提高约三个数量级。相关研究成果以“Measurement of the Λ Electric Dipole Moment with an Entangled Baryon-Antibaryon System”为题发表于《科学》（Science）[1]。
宇宙中的物质远多于反物质，是现代物理学尚未解决的基本问题之一。解释这种物质—反物质不对称，需要寻找标准模型之外新的电荷—宇称（CP）对称性破坏来源。粒子的永久电偶极矩是研究CP破坏的重要探针。对于具有自旋的粒子，如果存在沿自旋方向的永久电偶极矩，则意味着时间反演（T）对称性破坏；在CPT对称性成立的条件下，这也意味着CP对称性破坏。因此，对不同粒子EDM开展高精度测量，是寻找超出标准模型新物理的重要途径。
目前，人们已在电子、中子、原子和分子等多种体系中开展高精度EDM实验，但尚未发现非零EDM信号。相比之下，包含奇异夸克的超子体系长期缺少高精度实验检验。Λ超子是最轻的超子，寿命极短，难以像中子、电子等长寿命粒子一样，通过外加电磁场中的自旋进动测量其EDM。1981年，费米实验室利用Λ超子的自旋进动开展了EDM测量。此后40余年，受限于超子的短寿命以及获得高极化度超子束流等实验困难，Λ超子EDM的测量精度一直未取得数量级上的突破。
早在1993年，马建平（现任职于中国科学院理论物理研究所）、何小刚（现任职于上海交通大学李政道研究所）等提出，可以利用J/ψ→Λ
衰变中的CP破坏效应研究Λ超子的电偶极矩，并在后续理论工作中对这一方法进行了系统发展[2,3]，为短寿命超子EDM测量提供了一条不同于传统自旋进动方法的新途径。在实验分析方法上，张峰等和傅金林等先后发展了基于全角分布的分析方法，不断提高对Λ超子EDM的测量灵敏度[4,5]。
此次研究将这一方法应用于BESIII积累的大样本J/ψ数据。在J/ψ衰变产生的Λ和反Λ之间，由于角动量守恒形成自旋纠缠；与此同时，Λ超子的弱衰变具有自旋“自分析”特性，其自旋信息会体现在末态粒子的角分布中。研究人员因此无需让寿命极短的Λ超子在外加电磁场中发生长时间的自旋进动，而是通过分析纠缠Λ和反Λ之间细微的角分布差异，提取与CP破坏相关的信息，进而测量Λ超子的电偶极矩。
研究结果未观察到显著的Λ超子EDM信号，将Λ超子EDM的测量精度推进至10⁻¹⁹ e·cm量级，相比1981年的实验结果提高约三个数量级。这表明，利用量子纠缠和完整角分布信息，可以显著提升短寿命粒子EDM测量的灵敏度，为研究传统方法难以精确测量的短寿命粒子提供了新的实验途径。
Λ超子含有奇异夸克，因此其EDM测量能够为研究奇异夸克相关的CP破坏效应提供独特的实验信息。不同粒子体系对潜在CP破坏来源具有不同的敏感性，Λ超子EDM与中子EDM等测量具有重要的互补作用。此次结果与现有中子EDM实验限制相结合，可进一步约束QCD真空角和奇异夸克EDM等基本参数，缩小潜在新物理的参数空间。这一研究还建立了利用纠缠重子—反重子体系研究短寿命粒子EDM的新方法。该方法可进一步推广至其他超子体系，为系统研究奇异重子中的CP破坏提供新的实验途径。
该工作由中国科学院大学、中国科学院高能物理研究所及山东大学联合完成。中国科学院高能物理研究所李海波研究员以及中国科学院大学博士后张剑宇、长聘副教授傅金林为主要完成人。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院等支持。
关于BESIII：
详见BESIII网页： http://bes3.ihep.ac.cn
北京谱仪III（BESIII）是运行在北京正负电子对撞机（BEPCII）上的大型粒子物理探测器，其国际合作者由来自15个国家约96个研究机构的约700名科学家组成。实验聚焦陶-粲能区的精密物理研究，在强子谱学、粲物理、陶物理和新物理寻找等领域取得了一系列世界领先成果。北京谱仪III探测器和北京正负电子对撞机加速器运行维护团队在数据采集过程中、北京谱仪III离线软件团队和中国科学院高能物理研究所计算中心在数据分析过程中的高效工作为本次发现提供了保障。
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[1] BESIII Collaboration, “Measurement of the Λ Electric Dipole Moment with an Entangled Baryon-Antibaryon System,” Science393,1027-1030(2026).
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx7334
[2] X.G. He, J. P. Ma, Bruce McKellar, “CP violation in J/ψ→Λ
,” Physical Review D 47, R1744–R1746 (1993).
[3] X.G. He, J.P. Ma, “Testing of P and CP symmetries with e⁺e⁻→J/ψ→Λ
,” Phys. Lett. B 839 (2023) 137834.
[4] F. Zhang, Y. Gao, L. Huo, “An improved method for determining the electric dipole moment of Λ hyperon,” Physics Letters B 681, 237–239 (2009).
[5]J. Fu, H.-B. Li, J.-P. Wang, F.-S. Yu, J. Zhang, “Probing hyperon electric dipole moments with a full angular analysis,” Physical Review D 108, L091301 (2023).
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