一個假想粒子的“尋寶游戲”

　　暗能量與暗物質被稱為“21世紀初物理學天空的兩朵烏云”，但中國科學院高能物理研究所副研究員高宇和暨南大學理工學院教授楊嶠立在接受科技日報記者采訪時，不約而同地指出，經過多年探索，物理學家開始意識到，被稱為軸子的假想粒子，不僅可解釋暗物質和強作用的基本對稱性問題，還可解釋暗能量甚至正反物質不平衡之謎。

　　鑒于軸子身負破解多個宇宙學謎團的重任，搜索軸子的“尋寶游戲”也在世界多地如火如荼地開展了。

　　軸子是“何方神圣”

　　1977年，物理學家弗朗克·維爾切克的一次日常散步，永遠改變了一些科學家探索的腳步。

　　在那次散步中，他萌生了兩個想法。一是后來被稱為希格斯玻色子的理論粒子如何與其他粒子相互作用；二是設想利用軸子作為強電荷宇稱（CP）這一理論物理學問題的解決方案。

　　高宇解釋說：“維爾切克所稱的‘軸子’，是基于理論物理學家為解決量子色動力學中的對稱性理論所預言的新基本粒子。‘軸子’的英文名是個文字游戲：AXI-ON=軸+粒子，維爾切克當時覺得一個同名的洗滌劑商標非常適合描述該粒子的性質，于是取了這個名字。”

　　研究人員指出，軸子如果存在，將遵守量子力學的奇怪規則。這意味著它們既可以是波，又可以是粒子。作為粒子，其質量將非常低，約是電子質量的10-11—10-9倍。其宏觀波長甚至和星系的寬度相當，長達3000光年。

　　有望揭示多個謎團

　　科學家引入軸子，本質上是希望它很弱，從而表征出極弱的CP破缺。這導致軸子質量很小，而且理論上幾乎不與其他粒子相互作用，而這一點反倒讓軸子成為了暗物質研究的理想候選者，因為這些特性恰好與暗物質如出一轍。

　　“暗物質之所以是暗的，就是它們幾乎不和光發生相互作用，既不反射光線，也不產生光線，這和軸子的微弱相互作用的特性剛好契合。”楊嶠立說。

　　早期宇宙中充斥著大量能量。隨著宇宙不斷冷卻，軸子場開始振蕩，以脈動光和熱的形式釋放能量，這些振蕩攜帶的能量密度就像暗物質一樣演化。

　　楊嶠立解釋說：“當軸子的質量非常輕的時候，宇宙的年齡甚至有可能小于軸子場振動一次需要的時間，軸子因此可被看作是一種暗能量。如此一來，宇宙越膨脹，軸子場的能量越大，就可推動宇宙不斷繼續膨脹。”

　　軸子還有望為宇宙中另外兩個謎團提供線索。首先是哈勃常數危機。科學家把對宇宙微波背景的測量結果與當前的宇宙學標準模型結合在一起得出的哈勃常數，始終明顯低于根據Ia型超新星和其他天體物理學標記所獲得的觀測結果。科學家預測，如果早期宇宙中存在某些類似軸子的粒子，它們可改變基于宇宙微波背景的預測，從而消除哈勃常數危機。

　　其次是正反物質不平衡之謎。宇宙誕生時，應該產生了數量相同的正反物質，它們彼此相遇后本應立即湮滅，但事實上物質占據了主導地位。2020年發表于《物理評論快報》上的一篇文章指出，在宇宙大爆炸之初，軸子場的運動可產生正反物質不平衡，使演化至今的宇宙中物質遠遠多于反物質，因此萬物或起源于軸子場。

　　“獵捕”行動各出奇招

　　鑒于軸子幾乎不與其他粒子相互作用，且質量極低，因此探測軸子極具挑戰性，但一些“獵捕”行動已經開啟。

　　目前最大的實驗是美國華盛頓大學的軸子暗物質實驗（ADMX），其目標是利用磁場捕捉衰變為光子的軸子。從理論上來說，宇宙中的軸子可以在超導磁鐵包圍著的微波諧振腔內轉化成低能的微波光子，微波光子經諧振腔放大進而被探測器探測到。

　　歐洲核子研究中心的“軸子太陽望遠鏡”則另辟蹊徑，利用X射線望遠鏡探測太陽產生的軸子。太陽中的核反應過程會產生中微子、高能光子等多種粒子，也可能產生軸子，而且產生的軸子動能極高，其轉換產生的光子能量在X射線波段，可用X射線望遠鏡觀測到。

　　此外，軸子—光子振蕩可改變遙遠星體的能譜形狀，在我國的硬X射線調制望遠鏡、500米口徑球面射電望遠鏡、引力波暴高能電磁對應體全天監測器衛星、高海拔宇宙線觀測站等高精度或高能量天文觀測中或能捕捉到其“蛛絲馬跡”。

　　近幾年來，各種新型小實驗也層出不窮，這些實驗利用了軸子質量范圍很廣的特點。英國謝菲爾德大學名為“隱藏區量子傳感”的新實驗將于2024年啟動。與其他軸子搜索實驗相比，該實驗可在接近絕對零度的溫度下運行，這將使實驗基本上處于量子狀態，因此有望比其他實驗更靈敏。

　　楊嶠立說，日趨成熟的軸子尚有寬廣的參數空間有待探索。美國麻省理工學院和耶魯大學、意大利國家核物理研究院、韓國軸子和精密物理中心等國際一流大學和科研機構都在積極開展相關研究。

　　高宇和楊嶠立都認為，以ADMX為代表的共振腔實驗技術使國際上出現了暗物質軸子的搜尋熱潮。目前國內已具備趕超國際先進水平的實驗條件，諸多探測方案如自旋磁測量和多種共振腔正在積極推動中，其中一些是國內自主提出的原創性方案。