在過(guò)去的幾個(gè)月里，一陣關(guān)于新粒子的熱情曾在高能物理學(xué)界里飄蕩。

熱情起源于位于意大利格蘭薩索的地下實(shí)驗(yàn)室，那里有著全球最靈敏的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)XENON1T（“氙一噸”）。

6月份，XENON1T宣布觀測(cè)到了來(lái)源不明的意外結(jié)果，可能是一種被稱(chēng)作“軸子”（Axion）的新粒子。

軸子在1977年被物理學(xué)家預(yù)言存在，由諾獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）命名。要知道，“標(biāo)準(zhǔn)模型”早已給人類(lèi)已知的所有粒子都安排好了一個(gè)位置。一旦“標(biāo)準(zhǔn)模型”之外的軸子被確定存在，將是物理學(xué)界多年未有的重大突破。

就在幾天前，維爾切克線上參與上海舉行的第三屆世界頂尖科學(xué)家論壇（WLF），仍滿(mǎn)懷對(duì)軸子的期許：他認(rèn)為短期內(nèi)粒子物理領(lǐng)域最大的突破會(huì)出現(xiàn)暗物質(zhì)方向上，而且很可能就是“軸子”。

然而，德國(guó)電子同步加速器（DESY）、西班牙巴塞羅那大學(xué)等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）上的一篇論文指出，他們對(duì)XENON1T實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果排除了軸子的可能性，主要根據(jù)在于和天文學(xué)觀測(cè)結(jié)果不符。

研究人員對(duì) “物理學(xué)家組織網(wǎng)”表示：“我們這項(xiàng)研究希望讓學(xué)術(shù)界回歸正軌，起初關(guān)于可能‘發(fā)現(xiàn)了軸子’的熱情或許把實(shí)驗(yàn)和理論力量帶向了死胡同?！?/p>

什么是軸子？

43年前，“軸子”假說(shuō)的提出是為了深入解釋現(xiàn)代物理中的對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題。

我們知道，自然界有四大基本力，分別是引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。

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

那么，強(qiáng)相互作用中CP變換守不守恒呢？

1977年，諾獎(jiǎng)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(qiáng)CP 問(wèn)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(wàn)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(guò)對(duì)撞機(jī)等高能物理實(shí)驗(yàn)裝置尋找。

不過(guò)，同樣根據(jù)理論，軸子與光子在強(qiáng)電磁場(chǎng)中會(huì)相互轉(zhuǎn)化。太陽(yáng)因此應(yīng)是一個(gè)天然軸子源。

根據(jù)理論預(yù)測(cè)，太陽(yáng)是個(gè)天然的軸子源。然而，它釋放軸子的效率不會(huì)很高。

暗物質(zhì)候選人？

有趣的是，為了解決粒子物理理論問(wèn)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(tuán)。

所謂暗物質(zhì)，指的是它不與光相互作用，無(wú)法被“看”到，但它的存在切切實(shí)實(shí)地影響到了可見(jiàn)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，從星系到宇宙學(xué)尺度上的觀測(cè)均可驗(yàn)證。

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

理論物理學(xué)家們提出，軸子貢獻(xiàn)了這些難以解釋的宇宙質(zhì)量的一部分，可能就是暗物質(zhì)。

意料之外的信號(hào)

XENON國(guó)際合作組織由來(lái)自10個(gè)國(guó)家（地區(qū)）、28個(gè)研究機(jī)構(gòu)的163名研究人員組成，主要分布在歐、美、日。

同國(guó)際上其他主流的暗物質(zhì)團(tuán)隊(duì)一樣，XENON采取的是守株待兔的思路：囤積數(shù)以噸計(jì)的液氙，等待與暗物質(zhì)粒子進(jìn)行一次“電光石火”的碰撞。

一旦暗物質(zhì)粒子與其中一個(gè)氙原子發(fā)生了碰撞，其沖能就會(huì)轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)，被探測(cè)器中靈敏的光電管記錄下來(lái)。實(shí)驗(yàn)室設(shè)立在千米深的地下，是為了更好地屏蔽外界的噪音。

雖然名字叫“氙一噸”，但該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皩?shí)際用到了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(huì)有已知的常規(guī)粒子闖入其中。他們預(yù)期這些粒子會(huì)產(chǎn)生232個(gè)信號(hào)。

沒(méi)想到，最終實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了285個(gè)信號(hào)。既然不符合WIMPs的特征，這多出來(lái)的53個(gè)，從何而來(lái)？

XENON科學(xué)家們當(dāng)時(shí)給出了三種可能的解釋?zhuān)湟痪褪翘?yáng)軸子產(chǎn)生了光電信號(hào)。雖然這些由太陽(yáng)產(chǎn)生的軸子不可能是宇宙暗物質(zhì)的來(lái)源，但證明新粒子的存在本身就是重磅發(fā)現(xiàn)。

不過(guò)，其他更常規(guī)的可能性也無(wú)法被排除，例如是微量氚雜質(zhì)產(chǎn)生的誤差。

與天體物理現(xiàn)象的沖突

當(dāng)意外的結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)歐洲聯(lián)合團(tuán)隊(duì)處于比較有利的分析優(yōu)勢(shì)。他們當(dāng)時(shí)正在對(duì)各種天體物理的軸子釋放效應(yīng)進(jìn)行全面調(diào)查。

因此，他們很快意識(shí)到如果要用軸子來(lái)解釋XENON實(shí)驗(yàn)結(jié)果的話，那么相應(yīng)的軸子屬性會(huì)與恒星演化的觀測(cè)結(jié)果形成強(qiáng)烈沖突。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，因?yàn)樘?yáng)的核心密度和溫度在恒星算比較低的，按照相關(guān)理論模型，太陽(yáng)產(chǎn)生軸子的效率不會(huì)高。

如果XENON實(shí)驗(yàn)的過(guò)剩信號(hào)是太陽(yáng)軸子的話，那么其他類(lèi)型的恒星就會(huì)如同強(qiáng)烈的“軸子燈塔”，從內(nèi)核中以極大的速率釋放能量，它們的演化過(guò)程也會(huì)被徹底改變。顯然，這與過(guò)去的天文觀測(cè)結(jié)果嚴(yán)重沖突了。

該團(tuán)隊(duì)在論文中不斷強(qiáng)調(diào)軸子和天體物理學(xué)關(guān)聯(lián)的重要性。他們相信，軸子的存在證據(jù)最終會(huì)出現(xiàn)在天體物理學(xué)觀測(cè)中。