引言
2023年7月7日，著名的《Science》期刊發表了美國科羅拉多大學T.S. Roussy等十一位學者的論文，標題為「電子的電偶極矩的新上限」（An improved bound on the electron’s electric dipole moment）。這篇論文針對電子的電偶極矩de，在90%的置信度水平給出了最新實驗上限
。基於這一結果，並對某些相關參數做了特殊的假設，作者發現可將對電偶極矩做出貢獻的新物理模型的有效能標限制到4×10^13 eV（即40 TeV）以上，遠高於正在運行的大型強子對撞機的質心能量14 TeV。
特別值得關注的是，《Science》雜誌在同一期還刊發了加州大學聖塔芭芭拉分校物理系的M. Fan和A. Jayich兩位學者的短評文章，標題為「用分子探索基本粒子」（Probing fundamental particles with molecules）。該文在引述了T.S. Roussy等人的主要結果後，不無偏見地指出：「利用一張桌子就擺得下的真空裝置，他們得以探索尚未被發現、質量高達40 TeV的粒子，後者比歐洲核子研究中心的大型強子對撞機所能觀測到的粒子能量大10倍——大型強子對撞機的建造花費了約47.5億美元，而其每年的運行費為10億美元」（With their vacuum apparatus that fits on a table, they were able to probe for undiscovered particles up to a mass of 40 TeV, which is 10 times the energy of particles than can be observed in the Large Hadron Collider at CERN, which costs about $4.75 billion to build and $1 billion to run annually）。這裡作者有意將一臺僅可探測電偶極矩的分子譜儀與一個多功能、最先進的高能粒子加速器及其探測器集群相對比，給人造成一種似乎廉價的螞蟻比昂貴的大象還強悍的假象。
針對上述兩篇論文在粒子物理學方面的主要結果和觀點，本文將通過簡要回答下面兩個重要問題，給予必要的澄清和修正：
一、T.S. Roussy等物理學家所得出的對新粒子質量的限制，依賴哪些具體的新物理模型和假設，其結論在多大程度上是可信的？
二、Fan和Jayich將一個小型精確測量儀器與一個開拓人類能量前沿、旨在直接發現新粒子的大科學裝置做膚淺的比較，存在哪些誤區？
電子的電偶極矩與新物理模型的可能貢獻
眾所周知，電子之所以擁有不為零的電偶極矩，是由於它參與的相互作用違背時間反演不變性（T），或者說該相互作用同時破壞電荷共軛對稱性（C）和宇稱反演對稱性（P）。在粒子物理學的標準模型框架內，電子所參與的弱相互作用是破壞時間反演對稱性的，但該相互作用在四圈量子修正的水平才會使電子獲得電偶極矩，後者的大小低於10^(-38) e cm，即比T.S. Roussy等人的最新實驗上限低近10億倍。如此微小的物理量，即便在遙遠的未來也難以在實驗上被測量。因此多年以來，理論物理學家提出了各種超越標準模型的新物理模型，試圖給出更接近實驗上限的電偶極矩de的可能數值，從而使得針對de的測量成為發現新物理的一個低能突破口。這也意味著，那條聯繫電子的電偶極矩與新物理（包括新粒子和新相互作用）之間的紐帶，是強烈模型依賴和參數依賴的！
為了簡單起見，我們在這裡就以T.S. Roussy及其合作者在他們的論文中所引用的超對稱、雙希格斯和左右對稱模型為例，簡要說明這幾類新物理模型在單圈量子修正的水平對電子的電偶極距的貢獻：
其中e和me分別為電子的電荷和質量；α0代表玻爾半徑；α是電磁相互作用的精細結構常數；M表示新物理所在的能標，即新粒子的質量；g為新粒子與電子的有效耦合常數；φ是CP破壞相位，描述的是新相互作用破壞CP對稱性的強度。上述發表在《Science》期刊的論文之所以得到了
的結果，是由於作者假設了
。毫無疑問，這兩個假設目前得不到任何基本理論和可靠實驗的支持。一方面，CP破壞相位在標準模型和目前已知的任何新物理模型中都是未知的「味」參數，需要通過實驗測定或者藉助特定的「味」對稱性確定，而後者依然需要做很多理論假設才可能實現。另一方面，假設新相互作用的強度與電磁相互作用的強度相當也是毫無根據的，純粹只是一個示意性的數值特例而已。
由此可見，儘管T.S. Roussy等人改善了對電子的電偶極距的實驗測量靈敏度並獲得了de的最新上限，但他們關於新物理能標的限制卻依賴特定的新物理模型和特定的參數取值——這些模型無一得到任何實驗支持，其相關的參數空間也完全無法確定。因此我們切不可對
這樣的示意性結果當真。尤其需要注意的是，新物理的限定不能只依靠低能標的精確測量實驗。基礎物理學的發展史一再表明，發現新粒子並測定其各種量子數離不開高能對撞機的決定性貢獻。
高能加速器直接發現新粒子的不可替代性
接下來以貝塔衰變的費米有效理論與帶電流相互作用的標準理論之間的關係為例，說明亮度前沿（即通過量子效應在較低能標精確測量物理現象，從而間接發現新物理的存在並限定其參數空間）和能量前沿（即通過相對論效應將穩定粒子加速到極高的能量並使之發生對撞，從而直接發現新粒子並測量其量子數）相結合才是探索新物理的最佳途徑。
早在1933年，費米就發展了原子核貝塔衰變的低能有效場論，其中描述核子流與輕子流之間相互作用強度的有效耦合常數就是著名的費米耦合常數GF。不過直到粒子物理學的標準模型建立以後，人們才實現了對費米的有效耦合頂點的「解釦」——它其實是由傳遞弱相互作用的帶電重玻色子W–及其與費米子的基本耦合常數g構成，因此
，如上圖所示。可見這一已被實驗精確檢驗過的關係式與T.S. Roussy等人所考慮的
新物理部分如出一轍，即表徵新物理的重自由度在低能標的特徵有其相似性，這就是低能精確測量實驗有助於發現新物理存在的間接證據的典型體現。
但是，僅靠測量有效費米耦合常數本身並不能真正揭示新物理的本質，也無法證實標準模型的正確性。直到W±玻色子於1983年在歐洲核子研究中心的正反質子對撞機上被發現，粒子物理學家才真正揭開了弱相互作用的神秘面紗，並通過隨後的大型正負電子對撞機實驗精確測量了W±玻色子的質量和其他量子數，從而確定了基本弱相互作用耦合常數g的數值。毫無疑問，做一個貝塔衰變實驗的花費遠低於正反質子對撞機和大型正負電子對撞機的造價和運行費，但是前者的科學收益也遠低於後者，完全不可同日而語。因此M. Fan和A. Jayich在其評論文章中將小型分子譜儀實驗與大型強子對撞機實驗作對比，並強調後者高昂的費用，可謂有些風馬牛不相及，有誤導讀者之嫌，其潛在的邏輯漏洞不攻自破。
特別值得一提的是，電子、中子等基本或複合粒子的電偶極矩的實驗上限在過去半個多世紀得到了大幅度的提升，如下圖所示。給定一個具體的新物理模型並假設特定的參數空間，每一次實驗測量結果都會限制相應新粒子的質量，後者的下限也隨著實驗精度的提高而不斷增大，但卻從來沒有真正或實質性地揭示新物理的存在。換句話說，歷史上這些來自低能實驗對電偶極矩的限制並沒有對標準模型的發展和新物理的探索產生令人耳目一新的啟發和引領作用。這並非否定相關實驗的科學價值，而是表明單靠間接尋找新物理存在的證據是遠遠不夠的。
在探索物質更深層次結構及基本相互作用的漫長旅途中，具有直接發現潛力的高能對撞機和各種精確測量實驗各有所長，缺一不可。前者尤其具有科學上的不可替代性。建造高能對撞機等大科學裝置固然花費巨大，但其帶動技術進步和促進人類文明發展的動力也十分巨大。比如徹底改變人類生活方式和社會發展模式的網際網路技術，就是高能物理學家們在建造大型強子對撞機之初，面臨處理海量粒子資料的挑戰時發明的。這種顛覆性的技術進步，自然不是任何一張桌子能擺得下的小型儀器和實驗裝置所能激發和推動的。
作者感謝與周順老師的有益討論。
2023年7月11日
星標關注「中科院高能所」
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