我們真的能找到軸子嗎？

2020-11-15 似雨煙墨


此次發現的軸子有可能來自太陽

一組科學家可能首次發現了軸子。軸子是一種未經確認，存在於假設中的超輕粒子，這種粒子不存在於粒子物理學的標準模型之中，這個模型描述了亞原子粒子的狀態。理論物理學家首次在上世紀70年代為了解決強相互作用力（這種作用力將夸克基本粒子結合起來組成質子等強子）存在的數學問題提出了軸子的存在，但是，自從軸子被提出之後，這種基本粒子成為佔據85%宇宙質量卻不會發光的暗物質的一種流行解釋。

即使如果軸子的存在被確認了，還不能完全肯定軸子能否修正強相互作用力中的不對稱性。同樣，它們也不能解釋為什麼宇宙中大部分質量的消失，東京大學物理學家Kaiser Martens說道。這些軸子，雖然看起來像是從太陽中流出來的，但是它們並不像科學家認為的「冷暗物質」一樣填補星系周圍的光環。它們是新進入太陽內部的粒子，而自從宇宙誕生的數十億年以來，大部分的冷暗物質都沒有發生任何改變。*

儘管物理學界已經收集了兩年的數據，但是還不能確定有沒有檢測到軸子。因為目前所獲得到的信號強度，與能夠讓科學界宣布發現新粒子的信號強度相比還是很微弱。但隨著時間的推移，越來越多的數據也會被收集到，Martens告訴《Live Science》，能夠證明軸子存在的信號的強度消失為零的可能性仍然存在的。

但確實有似乎有一個信號在位於義大利格蘭薩索國家實驗室的XENON1T被發現，這是一個裝滿3.5噸（3.2公噸）液氙的地下避光實驗裝置。XENON1T的數據可以至少被兩個物理現象所解釋。但是，之後研究人員根據實驗數據測試了幾種理論，發現這是從太陽中流出來的軸子的可能性最大。

因為實驗數據在今天（6月17日）美國東部時間10：00公布，沒有參加實驗的研究人員還未對數據進行審核工作。在實驗數據宣布之前，已經向記者概述了這一發現，但是關於實驗的數據和文件還未公開。

《Live Science》與兩位軸子研究專家共同撰寫了XENON 合作的新聞稿。

「如果這一點能夠被證明，況且『如果』還是個大問題，那麼這將是自發現宇宙正在加速膨脹以來在我所在的物理學領域最大的改變，」新罕布夏大學物理學家Chanda Prescod-Weinstein在一封電子郵件中告訴Live Science，他並不是這項合作的參與者。（宇宙加速膨脹在1998年被發現，這表述了宇宙不僅在膨脹，而且膨脹的速率還在加速。）XENON協作觀察在絕緣避光液氙罐中的微弱閃光，其中，最明顯的案例是在2016年-2018年間運行的XENON1T。

因為地層將大多數輻射源隔絕開來，只有少數顆粒（包括暗物質）才可能進入位於地下的液氙罐並於罐中的原子碰撞，從而發出了閃光。其中，大多數的閃光非常容易解釋，因為這些閃光是由物理學家已經知道的粒子之間的相互作用產生的結果。儘管實驗室處於地下，有著地層作為屏蔽，但是各種粒子還是能穿透地層從而被XENON檢測到。XENON的研究人員正在尋找「多餘」的閃光，這些閃光的數量比已知的粒子物理學所預測的閃光要更多，從而暗示新粒子存在的可能性。

這是XENON第一次檢測到過量的閃光，這種在低能量範圍內的活動峰值是符合物理學家對於太陽軸子存在的預測的。知道現在，XENON的結果已經排除了另一類暗物質的可能性，及「弱相互作用的大顆粒」（WIMPS）。XENON並未在大多數WIMP所能產生的能量水平上檢測到足夠的閃光來支持它們的存在，從而排除了大多數WIMP種類。但是實驗在以前還沒有發現任何能夠支持新粒子的證據。

「儘管WIMP多年以來一直是發現的暗物質的大頭，但尋找軸子的時間已經很久了，在近些年，尋找軸子的實驗數量急劇增加，」 俄勒岡大學的物理學家Tien-Tien Yu說到，但他並未參加XENON實驗。所以，如果得到證實，軸子的檢測將符合暗物質研究的最新發展（包括以前的XENON數據）從而使得之前流行的WIMPs如同長曝光照片一樣。

但是，Yu告訴《Live Science》，這並不能令人信服。「如果這是真的，那將令人興奮，但是因為可能會有一些之前從未考慮過的背景輻射來源導致我對這個實驗結果表示懷疑。」Yu說（她補充道：同時也很難在不查看數據的情況下來評價數據。）

譬如說，某些放射源可以使XENON1T的傳感器跳閘，從而模擬了預期中的太陽軸子和液氙的相互作用。Yu指出，以前有一些沒有被證實的暗物質粒子被發現。此次XENON探測到的太陽軸子可能並不是真正的冷暗物質（起源於早期宇宙並「冷卻」），而是太陽中產生的熱軸子。

（Martens認為這是真的，但是在許多方面，太陽軸子雖然是從未被發現的大量存在於宇宙中，如同鬼影一般的粒子，但它還是被視為暗物質。但是Martens承認它們的存在並不能解釋為什麼宇宙中由如此巨大的質量缺失。）

此次XENON協作本身針對液氙管中出現「過多」的低能量時間現象提出了三種可能的解釋，XENON認為，其中最符合他們看到的過多現象的解釋是那確實是太陽軸子。他們認為這個假設表示出了「西格瑪3.5」的置信區間。Martens認為，這意味著隨機背景輻射產生的信號中只有萬分之二的概率不是太陽軸子本身。通常，物理學家只會在結果的顯著性達到了西格瑪5的時候宣布「發現「新粒子，這意味著信號產生隨機波動的概率為350萬分之一。

雖然其他的潛在結果可能不太令人信服，但是仍然指的認真對待。XENON1T中可能有著沒有被檢測到的放射性氚（氫氣的一種，原子核內有兩個中子），從而導致周圍的夜裡閃爍。自從開始。XENON團隊就已經致力於減少放射性氚引起的噪聲，Martens說到。但是，問題是依然有微量的氚不能被完全屏蔽掉。再加上XENON1T現在正在參與一個規模更大的實驗，所以回溯實驗是不可能的。

賓夕法尼亞州維拉諾瓦大學的物理學家Joey Neilsen指出，氚假設的數據擬合的置信區間大概在西格瑪3.2左右，這意味著隨機波動產生信號的概率約為700分之一。他並未參與XENON的研究。同樣，中微子（一種來自太陽並會流過地球的微弱已知粒子）也可能回合磁場發生比預期更強烈的相互作用。根據XENON協作的聲明，中微子理論也可以解釋他們所看到的信號，而這個假設的置信區間為西格瑪3.2。

Yu指出，即使XENON的結果可以通過中微子理論來解釋，粒子物理學的標準模型也必須被重置來解釋這種意想不到的中微子行為。一個有說服力的線索可以按時是否應該認真對待太陽軸子的假說，那就是數據的季節性變化。她說：「如果這個信號確實是由太陽軸子產生，那麼隨著太陽與地球的相對位置的變化，產生的信號也會隨之變化。「

隨著我們的星球與恆星的距離越來越遠，太陽軸子的流量將減弱。隨著地球離太陽的距離變近，Yu說到，信號的強度則會增加。Martens說，在目前的XENON1T的信號中並未發現季節性變化。信號強度過於微弱和只有兩年的實驗運行時間使得XENON1T難以察覺這種變化。物理學家們可能將會把這次XENON1T的結果視為近期的初步結果。研究小組指出，一個即將完成的，更大的XENON實驗將被稱為XENONnt，這個實驗裝置仍在義大利進行建設中，在完成後將會提供更加清晰的統計數據。美國和中國也在進行進一步的實驗，這些實驗數據將會補充現有數據。

Martens說，希望在XENONnt探測器完成5年運行後，在其收集的數據中可以發現季節性變化。他說到，如果這樣將會是實驗結論更加偏向於太陽軸子。在此之後，所有國際實驗室將可以把他們的原始氙氣（從全球供應中抽取相當一部分）整合到一起來建造一個30噸的探測器。也許這樣就可以詳細研究此信號（如果這是真實的）或者用來探測其他的暗物質粒子。

因此，這些結果仍然是初步的，但是儘管如此，Prescod-Weinstein說，在宣布這一消息之前，物理學界已經有很多質疑聲了。「能夠證明這一點是很重要的「，她寫道」我對這種沒有時間檢查結果並與同行討論就對數據的強度進行評價的行為是持保留態度的。當然，我希望結果是西格瑪5。「

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