高能物理研究所中国散裂中子源(CSNS)联合中国原子能科学研究院、中山大学、大湾区大学、美国印第安纳大学、西安交通大学、中国科学技术大学、山东大学、东莞理工学院等国内外高校与科研机构，在CSNS上成功建成面向eV能区的极化中子实验系统，并于国内首次实现核反应中宇称不守恒现象的成功测量。相关成果已于2026年4月发表在《中国科学：物理学 力学 天文学》(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy)上。
宇称不守恒的发现是现代物理学的里程碑。1956年，李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒，随后吴健雄等人通过钴-60 β衰变实验证实。这一发现改变了人们对自然界基本对称性的认识，为后续研究CP破坏、时间反演对称性破坏以及解释宇宙中物质—反物质不对称性奠定了基础。前苏联理论物理学家萨哈罗夫提出，要解释今天宇宙中正物质多于反物质的事实，自然界需要存在电荷共轭对称性(C)和时间反演对称性(T或者CP)破坏的物理过程。然而，此类对称性破缺效应通常非常微弱，直接探测面临较大挑战。
低能中子与原子核相互作用形成的复合核共振，可显著增强弱相互作用引起的宇称破坏效应放大104至106倍，为相关研究提供高灵敏度实验途径。此前KEK、Dubna、J-PARC等研究机构曾开展多个核素的中子核反应宇称不守恒测量。自2023年正式加入中子光学宇称和时间反演实验合作组(NOPTREX)以来，CSNS依托Back-n束线宽能谱、高通量、长飞行路径和良好的时间分辨特性，开展相关前沿实验。
CSNS Back-n可提供从热中子到数百MeV的中子束。其约77m的长飞行距离带来的高分辨时间谱，有利于在eV能区分辨复杂的中子共振结构，适合开展中子—原子核相互作用及相关基础物理实验。本项工作选择139La的0.75 eV p波共振作为验证对象。该共振具有较显著的宇称破坏效应，是国际上研究复合核对称性破缺的典型体系之一。选择这一共振开展实验，有助于检验Back-n束线极化中子系统的工作性能，并与国际已有测量结果进行比较。
图 1 中子与原子核相互作用宇称不守恒实验示意图
为实现宇称不守恒测量，研究团队在Back-n束线上建立了eV能区极化中子实验系统。该系统主要由原位3He自旋交换光泵浦系统、绝热中子自旋翻转器和真空磁导场输运系统构成。通过这些关键部件协同工作，实验系统能够在eV能区产生并操控极化中子束。在0.75 eV处，该系统获得了30.31% ± 0.03%的中子极化率。实验过程中，研究团队利用绝热自旋翻转器快速切换中子自旋状态，比较中子自旋方向与动量方向平行和反平行两种情况下的反应差异，降低了探测器增益随温度漂移等因素引入的系统误差。
图 2 eV极化中子调控系统示意图
实验中，研究人员采用天然镧靶样品作为测量对象。当极化中子被镧原子核俘获后，复合核退激会释放级联伽马射线。通过探测这些伽马射线，并比较不同中子自旋状态下的计数差异，研究团队提取了139La在0.75 eV p波共振处的宇称不守恒纵向不对称性，测量结果与国际已有测量结果相符，验证了Back-n束线新建eV极化中子系统可靠性，标志着我国已掌握eV能区极化中子宇称破坏测量的关键技术。
图 3 γ探测器测得139La在翻转器翻转开关(spin flipper-on/flipper-off)后，0.747eV处的纵向不对称性为4.67±1.19%，经过修正后得到数值为7.8%±2.4stat.%±0.3sys.%
此项工作拓展了CSNS在基础物理研究中的应用范围。未来，研究团队将进一步优化极化中子实验系统性能，向热中子能区扩展，并开展低温靶实验，为探寻反演对称性破坏研究和更高精度的对称性检验提供实验支撑。
本项工作得到国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省极端条件重点实验室、东莞市引进创新创业领军人才计划相关项目，以及美国国家科学基金和印第安纳大学时空对称性中心等项目的支持。
