澎湃新聞記者 虞涵棋

北京時間6月18日凌晨，位于意大利格蘭薩索地下實驗室的全球最靈敏暗物質(zhì)實驗XENON1T（“氙一噸”）宣布觀測到了來源不明的意外結(jié)果，可能是一種被稱作“軸子”（Axion）的新粒子。軸子在1977年被物理學(xué)家預(yù)言存在，是一種超出粒子物理標(biāo)準模型的存在，由諾獎得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）命名。

不過，XENON國際合作組織并未排除其他更常規(guī)的可能性，例如是微量氚雜質(zhì)產(chǎn)生的誤差。

XENON實驗

為什么暗物質(zhì)探測實驗沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，反而冒出來一個“軸子”？

什么是軸子？

43年前，“軸子”假說的提出是為了深入解釋現(xiàn)代物理中的對稱性問題。

1956年李政道、楊振寧與吳健雄等人提出并在實驗上驗證了宇稱P在弱相互作用中不守恒。后來人們發(fā)現(xiàn)弱相互作用中正反粒子共軛（C）與宇稱（P）的聯(lián)合變換CP也不守恒。C變換即將一個粒子變成它的反粒子，P變換即空間坐標(biāo)反演。

那么，強相互作用中CP變換守不守恒呢？

1977年，諾獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）和維爾切克提出了軸子模型。在解決強CP 問題的方案之中，軸子最為自然，也最為優(yōu)雅，引起了眾多關(guān)注。

根據(jù)模型，軸子是一種質(zhì)量很小的粒子，可能只有電子質(zhì)量的萬億分之一。它與其他物質(zhì)相互作用極其微弱，因此很難通過對撞機等高能物理實驗裝置尋找。

不過，同樣根據(jù)理論，軸子與光子在強電磁場中會相互轉(zhuǎn)化。太陽因此應(yīng)是一個天然軸子源。

位于高能物理圣地——歐洲核子中心的“太陽軸子望遠鏡”（CAST）就利用加速器磁鐵將理論上存在的軸子轉(zhuǎn)化為光子，從而探測是否有源自太陽的軸子流存在。

暗物質(zhì)候選人？

有趣的是，為了解決粒子物理理論問題而提出的軸子模型，也可能破解天體物理學(xué)家苦苦尋覓的暗物質(zhì)謎團。雖然它并非暗物質(zhì)最主流的候選人，但也無法排除。

所謂暗物質(zhì)，指的是它不與光相互作用，無法被“看”到，但它的存在切切實實地影響到了可見物質(zhì)的運動，從星系到宇宙學(xué)尺度上的觀測均可驗證。

比如，我們所在的太陽系圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的實際速度，明顯快于基于牛頓引力定律的計算結(jié)果。這意味著，銀河系中存在大量不可見的神秘物質(zhì)提供了額外的引力。若非如此，太陽系早該被“甩”出去才是。這些不可見的物質(zhì)，質(zhì)量應(yīng)該高達宇宙中物質(zhì)總量的85%，遠遠大于我們認知的物質(zhì)。

之前最主流的模型，是一種被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）的粒子。它參與引力和弱核力，質(zhì)量相對較大。根據(jù)計算預(yù)測，每分每秒都有無數(shù)暗物質(zhì)粒子穿透地球。

因此，XENON實驗、中國四川錦屏山地下隧道里的PandaX實驗、美國南達科他州廢棄金礦下的LUX實驗，都采取了守株待兔的思路：囤積數(shù)以噸計的液氙，等待與暗物質(zhì)粒子進行一次“電光石火”的碰撞。

一旦WIMPs與其中一個氙原子發(fā)生了碰撞，其沖能就會轉(zhuǎn)化為光電信號，被探測器中靈敏的光電管記錄下來。實驗室設(shè)立在千米深的地下，是為了更好地屏蔽外界的噪音。

多出來的53個信號

雖然模型很受歡迎，但WIMPs存在的概率越來越渺茫。

在國際上各個團隊的合作競爭中，液氙實驗的精確度不斷被刷新，排除的范圍越來越大，提出的限制越來越高，人類仍是一無所獲。這意味著，留給WIMPs的理論存在空間越來越狹窄。

上一個對WIMPs質(zhì)量提出最新限制的實驗組，正是XENON1T。

XENON國際合作組織由來自10個國家（地區(qū)）、28個研究機構(gòu)的163名研究人員組成，主要分布在歐、美、日。

雖然名字叫“氙一噸”，但該實驗?zāi)壳皩嶋H用到了3.2噸超純液氙，其中2噸用于被撞。

當(dāng)然，科學(xué)家們考慮到了會有已知的常規(guī)粒子闖入其中。他們預(yù)期這些粒子會產(chǎn)生232個信號。

沒想到，最終實驗出現(xiàn)了285個信號。既然不符合WIMPs的特征，這多出來的53個，從何而來？

3種可能性

在當(dāng)日舉行的在線研討會上，XENON科學(xué)家們給出了三種可能的解釋。相關(guān)論文也同時上傳到預(yù)印本網(wǎng)站ArXiv上。

第一，也是最“正?！?、沒有新物理的一種，是探測器里混入了微量氫的同位素氚（一個氚原子由一個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成）。事實上，只要每10^25（1000000000000000000000000?。﹤€液氙原子混入幾個氚原子，就能造成這53個多余事件。目前，尚無測量結(jié)果能證實或排除這一點。

第二，也是最令人興奮的一種，就是太陽軸子產(chǎn)生了光電信號。雖然這些由太陽產(chǎn)生的軸子不可能是宇宙暗物質(zhì)的來源，但證明新粒子的存在本身就是重磅發(fā)現(xiàn)。

第三，就是另一種質(zhì)量非常小、每時每刻都在大量穿透地球的粒子——中微子。不過，如果要產(chǎn)生這個量級的多余信號，中微子需要具備此前未知的一些物理屬性。因此，這個可能性也包含新物理因素。

上述三種可能性的顯著性都很可觀，從信號能譜等信息來看，與太陽肘子模型最為吻合。不過，XENON國際合作組織強調(diào)現(xiàn)有證據(jù)尚不足以下結(jié)論。

隨著未來“氙一噸”升級成“氙幾噸”（XENONnT）,液氙規(guī)模增加2倍，背景噪音也會進一步壓低，實驗才可能給出最終的答案：是數(shù)據(jù)波動，是雜質(zhì)污染，還是激動人心的新物理？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的全球最灵敏暗物质实验宣布发现意外：或是新粒子的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。