科研人員宣稱發現了太陽軸子，這是真的嗎？

2020-11-08 科技領航人

幾十年來，物理學家和天體物理學家已經對宇宙中暗物質的存在做出了理論上的解釋。這種難以捉摸的物質是由不吸收、反射或發射光的粒子組成的，因此無法使用常規的觀察粒子的儀器來檢測。

圖註：散發著軸子的紅巨星的藝術家表現形式。考慮到氙1T（XENON1T）過剩所需的大小的軸子交電子耦合將不可避免地將其他恆星（如圖片中的紅色巨人）變成明亮的「軸心燈塔」，從而極大地改變了它們的發光度和演化。

軸子是最有希望的暗物質候選者之一。軸子是假設性的粒子，首先被引入以解釋與強核相互作用有關的異常觀察。隨後，理論物理學家提出，軸子構成了宇宙質量的一部分，而這些部分仍然無法解釋，因此本質上可能是暗物質。從那時起，全球無數的團隊使用各種功能強大且先進的探測器進行了軸力搜索。

幾個月前，一個名為液氙合作組（XENON Collaboration）的國際研究小組發布了氙1T（XENON1T）收集的新數據，氙1T（XENON1T）是暗物質與常見粒子之間相互作用的靈敏檢測器。該數據包含令人驚訝的過剩事件，這可能暗示了從未發現過的粒子（例如太陽軸子）的存在。

德意志電子同步加速器（DESY），巴塞隆納大學、巴裡大學和納斯卡納利·迪·弗拉斯卡蒂實驗室（INFN）的研究人員最近檢查了氙1T（XENON1T）檢測器收集的數據，希望能更好地了解實際上檢測到的過量物質是否可能太陽軸子的體現。他們的分析結果和考慮因素髮表在《物理評論快報》上，似乎排除了太陽軸子在液氙合作組協作的意外發現背後的可能性。

「當宣布氙1T（XENON1T）結果時，我們正在對各種天體的軸子發射的影響進行徹底的研究，」研究人員盧卡·迪·盧齊奧（Luca Di Luzio）、馬克·費德勒（Marco Fedele）、毛裡齊奧·吉安諾蒂（Maurizio Giannotti）、費德裡科·梅西亞（Federico Mescia）和恩裡科·納爾迪（Enrico Nardi）通過電子郵件告訴我們，「因此，我們處於最佳狀態，很容易意識到氙1T（XENON1T）解釋所要求的特定軸子特性與恆星演化的觀察結果強烈衝突。」

迪·盧齊奧（Di Luzio）和他的同事們在最近的論文中表明，氙1T（XENON1T）過剩物質作為太陽軸子的假設不成立，因為它與以前的天體物理學觀察相矛盾。他們的希望是，通過排除這種可能性，他們的工作將鼓勵其他團隊確定和探索其他解釋。根據研究人員的說法，過剩可能是由於實驗裝置未解決的問題或表明不同的外來物理現象的結果。

研究人員解釋說：「太陽軸子無法解釋氙1T（XENON1T）異常觀測，因為與其他類型的恆星密度和溫度更高的恆星相比，太陽不是很有效地產生軸子。」

與太陽軸子假說衝突的天文數據的一個例子是觀測恆星種群。事實上，為了解釋氙1T（XENON1T）的過剩，太陽軸子的參數必須非常大，以使整個恆星群，即所謂的水平分支（HB）恆星，將非常少填充。如果是這樣的話，在附近的球狀星團中不應該發現任何HB星，研究人員實際上已經探測到其中的幾個。

圖註：對氙1T（XENON1T）異常信號的解釋要求與光子和電子的軸子耦合位於該圖的藍色區域內。但是，天體觀測表明，相同兩個耦合的允許區域不能延伸到紅色區域之外。 這兩個區域之間的較大距離使研究人員得出結論：氙1T（XENON1T）數據無法用太陽軸來解釋。

研究人員說：」我們的研究應該主要理解為所有的努力有助於維護領域的走上正軌。最初對可能的"軸子發現"的熱情可能將實驗和理論努力，轉移到了一個實際上是死胡同的方向上。「

除了排除太陽軸子解釋氙1T（XENON1T）過剩的可能性外，迪·盧齊奧（Di Luzio）和他的同事最近進行的工作還強調了在評估其現象可行性時，仔細考慮軸子模型的天體含義的重要性。研究人員在論文中強調了軸子與天體物理學之間關係的重要性，因為軸子存在的第一個證據最終可能直接來自天體物理觀測。

該小組目前正在進行進一步研究，以探索軸子物理學。這些研究集中於廣泛的主題，包括在實驗室和地面實驗中進行的軸子的宇宙學和天體物理學的影響，軸子模型的建立以及軸子搜索的現象學方面。

「我們合作的每個成員在軸子突物理的不同方面都有特定的技能。」研究人員說， 「作為合作，我們目前正在對大量的天體物理觀測值進行徹底的分析，其中一些在理論預測和觀測結果之間表現出令人著迷的差異。儘管單獨地看，每個異常的顯著性水平到目前為止是中等的，整體分析可能會揭示出一致的模式，並可能會針對某種特定類型的軸子進行解釋。」

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    ，軸子狀粒子，甚至暗光子。這就是為什麼在卡斯珀研究項目中，研究人員正在系統地研究不同的頻率範圍，尋找暗物質的線索。巴克的團隊正在通過宇宙軸自旋進動實驗(Casper)尋找暗物質。Casper小組在美因茨Johannes Gutenberg大學(JGU)和美因茨Helmholtz研究所(HIM)的Prisma+Cluster of Excellence進行實驗。
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