圖片來源：https://www.lngs.infn.it/en

當(dāng)意大利格蘭薩索國家實驗室的科學(xué)家們宣布其探測器上顯示的異常信號可能是人類長期尋找的亞原子粒子——軸子時，他們的同行都表現(xiàn)出謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度：物理學(xué)領(lǐng)域中所謂的探測到新粒子通常隨著研究人員取得越來越多的數(shù)據(jù)而化為泡影。而且對這些信號還有其他更簡單的解釋。不過，許多物理學(xué)家認(rèn)為，從理論上講軸子應(yīng)當(dāng)是存在的。這一假想粒子是構(gòu)成暗物質(zhì)的潛在粒子之一。暗物質(zhì)這一神秘物質(zhì)可能是宇宙物質(zhì)的主要組成部分。確認(rèn)軸子的真實存在將會是粒子物理學(xué)的重大突破，這項發(fā)現(xiàn)也會對人類理解宇宙的組成與歷史產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

軸子的故事起源于20世紀(jì)70年代，那時物理學(xué)家們正在研究標(biāo)準(zhǔn)模型，該模型用于描述基本粒子以及這些粒子之間的相互作用?？茖W(xué)家們注意到強(qiáng)核力有一些奇怪的地方，這種力將夸克結(jié)合在一起，形成原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子。強(qiáng)核力以某種方式約束著中子的結(jié)構(gòu)，使其完全對稱。換句話說，雖然中子是電中性的，但是組成中子的夸克是帶有電荷的，而且不知為何，其電荷分布竟然是均勻的（根據(jù)最新的測量，差異小于十億分之一）。用粒子物理學(xué)的專業(yè)術(shù)語說，中子是電荷-宇稱對稱（CP對稱）的，即將中子所有的電荷從正變成負(fù)，同時鏡像觀察其行為，將無法分辨出有何不同。關(guān)于中子為何擁有該特性的問題被稱為“強(qiáng)CP問題”。

1977年，斯坦福大學(xué)的Helen Quinn，以及其后的Roberto Peccei，提出了一個可能性：或許有一種充斥在整個宇宙中的未知場抑制了中子的非對稱性。后來理論物理學(xué)家Frank Wilczek和Steven Weinberg推導(dǎo)出，如果能稍稍調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)模型以允許這種場存在，那么會產(chǎn)生一種新的粒子，即軸子（Wilczek受一款洗衣粉牌子的啟發(fā)取了這么一個名字）。軸子沒有量子力學(xué)中的“自旋”概念，是一種玻色子。雖然軸子不是沒有質(zhì)量，但也非常非常小。

軸子的質(zhì)量小到難以察覺，但是其數(shù)量如此巨大，以至于物理學(xué)家們很快意識到軸子或許可以解釋宇宙中“消失”的質(zhì)量。自20世紀(jì)30年代起，天文觀測表明，可見物質(zhì)，比如星系、恒星、行星等等，所占質(zhì)量不到宇宙所有物質(zhì)總質(zhì)量的六分之一，而剩下的質(zhì)量則由暗物質(zhì)提供。從那時起，暗物質(zhì)的特性成了物理學(xué)中激烈爭論的焦點。

“軸子的確有可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的潛在粒子?！彼固垢４髮W(xué)的Peter Graham說。軸子應(yīng)當(dāng)充滿整個宇宙，除此之外，軸子還應(yīng)該具有天然的“暗”特性，即其幾乎無法與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。“宇宙樂于創(chuàng)造軸子，” Graham說，“并且宇宙將軸子創(chuàng)造為冰冷黑暗的物質(zhì)，摸不著看不見，雖然我們知道軸子就在那里?！?/p>

“冰冷”是暗物質(zhì)的另一個重要特征，然而，研究者們宣稱在格蘭薩索國家實驗室XENON1T實驗中探測到的“軸子”很可能是在太陽內(nèi)部產(chǎn)生的，它們帶有很高的能量，因此不可能是暗物質(zhì)的組成成分。暗物質(zhì)軸子運(yùn)動緩慢，或者說“冰冷”，從而它們可以聚集在一起，通過引力引導(dǎo)星系的演化，就像科學(xué)家認(rèn)為的暗物質(zhì)那樣。理論物理學(xué)家懷疑這樣的軸子產(chǎn)生于宇宙早期。此外，因為這一假想的創(chuàng)造“冰冷”軸子的過程與宇宙早期的爆發(fā)式增長（即宇宙尺寸的極速膨脹，也稱為“暴漲”）有關(guān)，尋找和進(jìn)一步研究這種神出鬼沒的粒子能夠幫助物理學(xué)家了解宇宙大爆炸后的那一瞬間。Graham說，哪怕軸子的發(fā)現(xiàn)無法證明宇宙暴漲的發(fā)生，它也可以透露一些珍貴的信息，告訴我們在物理學(xué)上那時的宇宙在發(fā)生了什么?！皩ξ襾碚f，那才是軸子令人興奮的地方?！?Graham補(bǔ)充道。

不過科學(xué)家們的反應(yīng)很謹(jǐn)慎，XENON1T實驗的團(tuán)隊成員同樣如此。他們能確認(rèn)的是，在實驗的心臟地帶即巨大的液態(tài)氙容器中看到了大量的電子“閃避”現(xiàn)象。產(chǎn)生這種電子跳動的原因尚有爭議。如果中微子這種亞原子粒子有未知的磁特性，那么就可以解釋所觀察到的現(xiàn)象。或者其原因也可能更普通：所用的液態(tài)氙中混有少量的氚，這種氫的重同位素自帶放射性，可以污染XENON1T采集到的信號。此外，異常信號的置信水平只有“3.5σ”，意思是采集到的“信號”實際上只是噪聲的可能性有五千分之一，“信號”或許是統(tǒng)計學(xué)上的波動而非物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)。如果真的發(fā)現(xiàn)了軸子，那么異常信號是噪聲的可能性要低于三百五十萬分之一，即置信水平為“5σ”，這是粒子物理學(xué)中確定一項新發(fā)現(xiàn)的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

除了繼續(xù)收集更多的數(shù)據(jù)并且升級實驗，XENON1T研究人員將尋找這些信號的年周期變化特征。太陽軸子會導(dǎo)致該信號隨著地球繞太陽的旋轉(zhuǎn)而波動。同時，華盛頓大學(xué)的軸子暗物質(zhì)實驗（Axion Dark Matter Experiment，ADMX）和日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究會軸子太陽望遠(yuǎn)鏡實驗（CERN Axion Solar Telescope，CAST）也可能會提供補(bǔ)強(qiáng)證據(jù)。ADMX已經(jīng)設(shè)法給軸子質(zhì)量設(shè)置新的約束，而CAST自2003年起就在尋找太陽軸子。

如果軸子被證明是真實存在的，那么它將是“理論物理學(xué)的巨大勝利，自然世界也會對如此美妙的論證表示認(rèn)可：‘對對對，就是這樣的?！?麻省理工學(xué)院的Wilczek說道。他因關(guān)于強(qiáng)相互作用的理論研究而成為2004年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者之一。Wilczek認(rèn)為，軸子的存在將為標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理學(xué)指出一條新的道路，一條他和他的同行們已經(jīng)期盼了數(shù)十年的道路。Wilczek建議建造新的天線來尋找宇宙早期形成的軸子，并且補(bǔ)充說如果這些軸子能被成功地探測到，那“將打開天文學(xué)的新篇章”，因為軸子的行為可以揭示星系是如何形成的，“或許還有其他令人興奮的東西”。

雖然這項研究可能是諾貝爾獎級別的，但Wilczek還沒有空出第二塊獎牌的位置。不過如果有機(jī)會再獲得一次諾貝爾獎，Wilczek說“他不會讓它溜走的。”

作者：Dan Falk 駐多倫多的科學(xué)記者，著有《The Science of Shakespeare and In Search of Time》。

翻譯：常灝杰

審校：曾小歡

引進(jìn)來源：科學(xué)美國人

引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/is-dark-matter-made-of-axions/


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