一个假想粒子的“寻宝游戏”

本文转自：科技日报

左图 粒子艺术图。右图 光通过普朗克卫星的艺术图。普朗克卫星已经看到了可能由类轴子产生的“蛛丝马迹”。

图片来源：《新科学家》网站

【科技创新世界潮】

◎本报记者 刘 霞

暗能量与暗物质被称为“21世纪初物理学天空的两朵乌云”，但中国科学院高能物理研究所副研究员高宇和暨南大学理工学院教授杨峤立在接受科技日报记者采访时，不约而同地指出，经过多年探索，物理学家开始意识到，被称为轴子的假想粒子，不仅可解释暗物质和强作用的基本对称性问题，还可解释暗能量甚至正反物质不平衡之谜。

鉴于轴子身负破解多个宇宙学谜团的重任，搜索轴子的“寻宝游戏”也在世界多地如火如荼地开展了。

轴子是“何方神圣”

1977年，物理学家弗朗克·维尔切克的一次日常散步，永远改变了一些科学家探索的脚步。

在那次散步中，他萌生了两个想法。一是后来被称为希格斯玻色子的理论粒子如何与其他粒子相互作用；二是设想利用轴子作为强电荷宇称（CP）这一理论物理学问题的解决方案。

高宇解释说：“维尔切克所称的‘轴子’，是基于理论物理学家为解决量子色动力学中的对称性理论所预言的新基本粒子。‘轴子’的英文名是个文字游戏：AXI-ON=轴+粒子，维尔切克当时觉得一个同名的洗涤剂商标非常适合描述该粒子的性质，于是取了这个名字。”

研究人员指出，轴子如果存在，将遵守量子力学的奇怪规则。这意味着它们既可以是波，又可以是粒子。作为粒子，其质量将非常低，约是电子质量的10-11—10-9倍。其宏观波长甚至和星系的宽度相当，长达3000光年。

有望揭示多个谜团

科学家引入轴子，本质上是希望它很弱，从而表征出极弱的CP破缺。这导致轴子质量很小，而且理论上几乎不与其他粒子相互作用，而这一点反倒让轴子成为了暗物质研究的理想候选者，因为这些特性恰好与暗物质如出一辙。

“暗物质之所以是暗的，就是它们几乎不和光发生相互作用，既不反射光线，也不产生光线，这和轴子的微弱相互作用的特性刚好契合。”杨峤立说。

早期宇宙中充斥着大量能量。随着宇宙不断冷却，轴子场开始振荡，以脉动光和热的形式释放能量，这些振荡携带的能量密度就像暗物质一样演化。

杨峤立解释说：“当轴子的质量非常轻的时候，宇宙的年龄甚至有可能小于轴子场振动一次需要的时间，轴子因此可被看作是一种暗能量。如此一来，宇宙越膨胀，轴子场的能量越大，就可推动宇宙不断继续膨胀。”

轴子还有望为宇宙中另外两个谜团提供线索。首先是哈勃常数危机。科学家把对宇宙微波背景的测量结果与当前的宇宙学标准模型结合在一起得出的哈勃常数，始终明显低于根据Ia型超新星和其他天体物理学标记所获得的观测结果。科学家预测，如果早期宇宙中存在某些类似轴子的粒子，它们可改变基于宇宙微波背景的预测，从而消除哈勃常数危机。

其次是正反物质不平衡之谜。宇宙诞生时，应该产生了数量相同的正反物质，它们彼此相遇后本应立即湮灭，但事实上物质占据了主导地位。2020年发表于《物理评论快报》上的一篇文章指出，在宇宙大爆炸之初，轴子场的运动可产生正反物质不平衡，使演化至今的宇宙中物质远远多于反物质，因此万物或起源于轴子场。

“猎捕”行动各出奇招

鉴于轴子几乎不与其他粒子相互作用，且质量极低，因此探测轴子极具挑战性，但一些“猎捕”行动已经开启。

目前最大的实验是美国华盛顿大学的轴子暗物质实验（ADMX），其目标是利用磁场捕捉衰变为光子的轴子。从理论上来说，宇宙中的轴子可以在超导磁铁包围着的微波谐振腔内转化成低能的微波光子，微波光子经谐振腔放大进而被探测器探测到。

欧洲核子研究中心的“轴子太阳望远镜”则另辟蹊径，利用X射线望远镜探测太阳产生的轴子。太阳中的核反应过程会产生中微子、高能光子等多种粒子，也可能产生轴子，而且产生的轴子动能极高，其转换产生的光子能量在X射线波段，可用X射线望远镜观测到。

此外，轴子—光子振荡可改变遥远星体的能谱形状，在我国的硬X射线调制望远镜、500米口径球面射电望远镜、引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星、高海拔宇宙线观测站等高精度或高能量天文观测中或能捕捉到其“蛛丝马迹”。

近几年来，各种新型小实验也层出不穷，这些实验利用了轴子质量范围很广的特点。英国谢菲尔德大学名为“隐藏区量子传感”的新实验将于2024年启动。与其他轴子搜索实验相比，该实验可在接近绝对零度的温度下运行，这将使实验基本上处于量子状态，因此有望比其他实验更灵敏。

杨峤立说，日趋成熟的轴子尚有宽广的参数空间有待探索。美国麻省理工学院和耶鲁大学、意大利国家核物理研究院、韩国轴子和精密物理中心等国际一流大学和科研机构都在积极开展相关研究。

高宇和杨峤立都认为，以ADMX为代表的共振腔实验技术使国际上出现了暗物质轴子的搜寻热潮。目前国内已具备赶超国际先进水平的实验条件，诸多探测方案如自旋磁测量和多种共振腔正在积极推动中，其中一些是国内自主提出的原创性方案。