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當意大利格蘭(lan) 薩索國家實驗室的科學家們(men) 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(ya) 原子粒子——軸子時，他們(men) 的同行都表現出謹慎樂(le) 觀的態度：物理學領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據而化為(wei) 泡影。而且對這些信號還有其他更簡單的解釋。不過，許多物理學家認為(wei) ，從(cong) 理論上講軸子應當是存在的。這一假想粒子是構成暗物質的潛在粒子之一。暗物質這一神秘物質可能是宇宙物質的主要組成部分。確認軸子的真實存在將會(hui) 是粒子物理學的重大突破，這項發現也會(hui) 對人類理解宇宙的組成與(yu) 曆史產(chan) 生深遠影響。

軸子的故事起源於(yu) 20世紀70年代，那時物理學家們(men) 正在研究標準模型，該模型用於(yu) 描述基本粒子以及這些粒子之間的相互作用。科學家們(men) 注意到強核力有一些奇怪的地方，這種力將誇克結合在一起，形成原子核內(nei) 的質子和中子。強核力以某種方式約束著中子的結構，使其完全對稱。換句話說，雖然中子是電中性的，但是組成中子的誇克是帶有電荷的，而且不知為(wei) 何，其電荷分布竟然是均勻的（根據最新的測量，差異小於(yu) 十億(yi) 分之一）。用粒子物理學的專(zhuan) 業(ye) 術語說，中子是電荷-宇稱對稱（CP對稱）的，即將中子所有的電荷從(cong) 正變成負，同時鏡像觀察其行為(wei) ，將無法分辨出有何不同。關(guan) 於(yu) 中子為(wei) 何擁有該特性的問題被稱為(wei) “強CP問題”。

1977年，斯坦福大學的Helen Quinn，以及其後的Roberto Peccei，提出了一個(ge) 可能性：或許有一種充斥在整個(ge) 宇宙中的未知場抑製了中子的非對稱性。後來理論物理學家Frank Wilczek和Steven Weinberg推導出，如果能稍稍調整標準模型以允許這種場存在，那麽(me) 會(hui) 產(chan) 生一種新的粒子，即軸子（Wilczek受一款洗衣粉牌子的啟發取了這麽(me) 一個(ge) 名字）。軸子沒有量子力學中的“自旋”概念，是一種玻色子。雖然軸子不是沒有質量，但也非常非常小。

軸子的質量小到難以察覺，但是其數量如此巨大，以至於(yu) 物理學家們(men) 很快意識到軸子或許可以解釋宇宙中“消失”的質量。自20世紀30年代起，天文觀測表明，可見物質，比如星係、恒星、行星等等，所占質量不到宇宙所有物質總質量的六分之一，而剩下的質量則由暗物質提供。從(cong) 那時起，暗物質的特性成了物理學中激烈爭(zheng) 論的焦點。

“軸子的確有可能是構成暗物質的潛在粒子。”斯坦福大學的Peter Graham說。軸子應當充滿整個(ge) 宇宙，除此之外，軸子還應該具有天然的“暗”特性，即其幾乎無法與(yu) 普通物質發生相互作用。“宇宙樂(le) 於(yu) 創造軸子，” Graham說，“並且宇宙將軸子創造為(wei) 冰冷黑暗的物質，摸不著看不見，雖然我們(men) 知道軸子就在那裏。”

“冰冷”是暗物質的另一個(ge) 重要特征，然而，研究者們(men) 宣稱在格蘭(lan) 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(nei) 部產(chan) 生的，它們(men) 帶有很高的能量，因此不可能是暗物質的組成成分。暗物質軸子運動緩慢，或者說“冰冷”，從(cong) 而它們(men) 可以聚集在一起，通過引力引導星係的演化，就像科學家認為(wei) 的暗物質那樣。理論物理學家懷疑這樣的軸子產(chan) 生於(yu) 宇宙早期。此外，因為(wei) 這一假想的創造“冰冷”軸子的過程與(yu) 宇宙早期的爆發式增長（即宇宙尺寸的極速膨脹，也稱為(wei) “暴漲”）有關(guan) ，尋找和進一步研究這種神出鬼沒的粒子能夠幫助物理學家了解宇宙大爆炸後的那一瞬間。Graham說，哪怕軸子的發現無法證明宇宙暴漲的發生，它也可以透露一些珍貴的信息，告訴我們(men) 在物理學上那時的宇宙在發生了什麽(me) 。“對我來說，那才是軸子令人興(xing) 奮的地方。” Graham補充道。

不過科學家們(men) 的反應很謹慎，XENON1T實驗的團隊成員同樣如此。他們(men) 能確認的是，在實驗的心髒地帶即巨大的液態氙容器中看到了大量的電子“閃避”現象。產(chan) 生這種電子跳動的原因尚有爭(zheng) 議。如果中微子這種亞(ya) 原子粒子有未知的磁特性，那麽(me) 就可以解釋所觀察到的現象。或者其原因也可能更普通：所用的液態氙中混有少量的氚，這種氫的重同位素自帶放射性，可以汙染XENON1T采集到的信號。此外，異常信號的置信水平隻有“3.5σ”，意思是采集到的“信號”實際上隻是噪聲的可能性有五千分之一，“信號”或許是統計學上的波動而非物理學新發現。如果真的發現了軸子，那麽(me) 異常信號是噪聲的可能性要低於(yu) 三百五十萬(wan) 分之一，即置信水平為(wei) “5σ”，這是粒子物理學中確定一項新發現的傳(chuan) 統標準。

除了繼續收集更多的數據並且升級實驗，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(hui) 導致該信號隨著地球繞太陽的旋轉而波動。同時，華盛頓大學的軸子暗物質實驗（Axion Dark Matter Experiment，ADMX）和日內(nei) 瓦附近的歐洲核子研究會(hui) 軸子太陽望遠鏡實驗（CERN Axion Solar Telescope，CAST）也可能會(hui) 提供補強證據。ADMX已經設法給軸子質量設置新的約束，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，那麽(me) 它將是“理論物理學的巨大勝利，自然世界也會(hui) 對如此美妙的論證表示認可：‘對對對，就是這樣的。’” 麻省理工學院的Wilczek說道。他因關(guan) 於(yu) 強相互作用的理論研究而成為(wei) 2004年諾貝爾物理學獎獲得者之一。Wilczek認為(wei) ，軸子的存在將為(wei) 標準模型之外的物理學指出一條新的道路，一條他和他的同行們(men) 已經期盼了數十年的道路。Wilczek建議建造新的天線來尋找宇宙早期形成的軸子，並且補充說如果這些軸子能被成功地探測到，那“將打開天文學的新篇章”，因為(wei) 軸子的行為(wei) 可以揭示星係是如何形成的，“或許還有其他令人興(xing) 奮的東(dong) 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。不過如果有機會(hui) 再獲得一次諾貝爾獎，Wilczek說“他不會(hui) 讓它溜走的。”

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

翻譯：常灝傑

審校：曾小歡

引進來源：科學美國人

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


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