一組物理學(xué)家完成了可能是有史以來第一次發(fā)現(xiàn)軸子的實(shí)驗(yàn)。

軸子是未經(jīng)證實(shí)的、假設(shè)的超輕粒子，它們來自描述亞原子粒子行為的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。理論物理學(xué)家在20世紀(jì)70年代首次提出軸子的存在，是為了解決控制強(qiáng)力的數(shù)學(xué)問題，這種力將稱為夸克的粒子束縛在一起。但是軸子已經(jīng)成為暗物質(zhì)的一種流行的解釋，暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)量的85%，卻不發(fā)光。

如果得到證實(shí)，現(xiàn)在還不確定這些軸子是否會修復(fù)強(qiáng)大力量中的不對稱。東京大學(xué)（University of Tokyo）的物理學(xué)家Kai Martens說，他們無法解釋宇宙中大部分缺失的質(zhì)量。這些看起來像是從太陽中流出的軸子，其行為不像物理學(xué)家認(rèn)為的充滿在星系周圍光環(huán)中的“冷暗物質(zhì)”。它們是新發(fā)現(xiàn)的太陽內(nèi)部的粒子，而在那里的大部分冷暗物質(zhì)似乎自早期宇宙以來存在了數(shù)十億年之久*

也不確定軸子是否被探測到。盡管收集了兩年的數(shù)據(jù)，但與物理學(xué)宣布發(fā)現(xiàn)新粒子所需的信息相比，信號的跡象仍然很微弱。隨著時間的推移，隨著更多數(shù)據(jù)的到來，馬滕斯告訴《Live Science》雜志，信號的證據(jù)仍然有可能消失得一文不值。

格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室（Gran Sasso National Laboratory）洞穴般的內(nèi)部景觀，這是位于意大利中部的一個地下設(shè)施，內(nèi)有氙氣合作組織（Xenon Collaboration）的暗物質(zhì)探測器和許多其他實(shí)驗(yàn)。

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不過，看起來確實(shí)有信號。它是在一個裝有3.5噸（3.2公噸）液態(tài)氙的黑暗地下儲罐里發(fā)現(xiàn)的，這個實(shí)驗(yàn)是在意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。至少還有兩種物理效應(yīng)可以解釋氙的數(shù)據(jù)。然而，研究人員測試了幾種理論，發(fā)現(xiàn)從太陽流出的軸子最有可能解釋其結(jié)果。

截至美國東部時間今天（2020年6月17日）上午10點(diǎn)，沒有參與實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家們還沒有審閱這些數(shù)據(jù)。在公布之前，記者們并沒有得到有關(guān)發(fā)現(xiàn)新粒子的數(shù)據(jù)。

《Live Science》與兩位axion專家分享了氙氣合作的新聞稿。

新罕布什爾大學(xué)（University of New Hampshire）的物理學(xué)家錢達(dá)?普雷斯科特?溫斯坦（Chanda Prescod Weinstein）在一封電子郵件中對《Live Science》說：“如果這一點(diǎn)得到證實(shí)，這將是自發(fā)現(xiàn)宇宙加速以來在物理學(xué)領(lǐng)域最大的改變游戲規(guī)則的因素。”

（1998年宇宙加速的發(fā)現(xiàn)表明，不僅宇宙在膨脹，而且膨脹的速度越來越快。）

氙氣合作組織（XENON collaboration）在黑暗、絕緣的氙氣罐中觀察微小的閃光，其中在2016年至2018年間進(jìn)行的（XENON1T），是迄今為止最大的一個實(shí)驗(yàn)。

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氙氣罐被屏蔽在地下不受大多數(shù)輻射源的影響，只有極少數(shù)的粒子（包括暗物質(zhì)）可以進(jìn)入罐中并與罐內(nèi)液氙中的原子發(fā)生碰撞，從而激發(fā)這些閃光。大多數(shù)閃光很容易解釋，這是物理學(xué)家已經(jīng)知道的粒子相互作用的結(jié)果。盡管罐子處于的地下屏蔽層，各種各樣的粒子還是會進(jìn)入罐中激發(fā)閃光，很多已知的粒子可以解釋氙氣探測器中所看到的大部分閃光。氙氣研究人員尋找“過剩”的閃光，比你根據(jù)已知的粒子物理學(xué)所預(yù)測的閃光要更多，這可能意味著新粒子的存在。

這是氙氣探測器第一次實(shí)際探測到過剩，一個在低能范圍內(nèi)活動的峰值，這與物理學(xué)家推測太陽軸子確實(shí)存在的預(yù)期相符。

到目前為止，氙的結(jié)果已經(jīng)部分排除了另一種暗物質(zhì)候選，即“弱相互作用大質(zhì)量粒子”（WIMPS）。它沒有檢測到大多數(shù)WIMP產(chǎn)生的足夠能量水平的閃光來支持它們的存在，實(shí)際上排除了大多數(shù)可能的WIMP變種。但是實(shí)驗(yàn)還沒有發(fā)現(xiàn)任何新粒子的證據(jù)。

俄勒岡大學(xué)物理學(xué)家Tien Tien Yu也沒有參與氙氣實(shí)驗(yàn)，她說：“盡管WIMP多年來一直是DM（暗物質(zhì)）的主導(dǎo)范式，但軸子的存在時間也差不多，近年來尋找軸子的實(shí)驗(yàn)激增。”

因此，如果軸子探測能與暗物質(zhì)研究的最新進(jìn)展（包括更古老的氙氣數(shù)據(jù)）相吻合，這將使得一度流行的WIMP看起來希望渺茫。

然而，Yu告訴《Live Science》雜志，它本身并不能令人信服。

她說：“如果這是真的，那將是令人興奮的，但我對此表示懷疑，因?yàn)榭赡苡幸恍┮郧拔唇?jīng)考慮的粒子來源。”。（她補(bǔ)充道，在沒有看到數(shù)據(jù)的情況下很難評估數(shù)據(jù)。）

例如，一些放射源可能以模擬太陽軸子與液態(tài)氙相互作用的模式，被氙的探測器探測到。

Yu指出，此前有未經(jīng)證實(shí)的關(guān)于發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的說法。氙氣發(fā)現(xiàn)的“太陽軸子”似乎并不代表真正的冷暗物質(zhì)，因?yàn)槔浒滴镔|(zhì)可能起源于早期宇宙，是“冷的”，而不是太陽產(chǎn)生的熱軸子。

（馬滕斯說這是真的，但是太陽軸子是以前從未被探測到穿過宇宙的大質(zhì)量粒子，其在許多方面仍然可被認(rèn)為是暗物質(zhì)。但他承認(rèn)，他們無法解釋宇宙中如此大的被無法探測的質(zhì)量。）

氙氣合作組織本身提出了三種可能的解釋，來解釋氙氣罐內(nèi)部低能量的“過剩”閃光。

其中，最符合他們看到的過剩閃光的，確實(shí)是太陽軸子。他們對這個假設(shè)有“3.5 sigma”的信心。

馬滕斯說，這意味著這是隨機(jī)背景輻射產(chǎn)生信號的概率約為萬分之二，而不是太陽軸子產(chǎn)生的信號。通常，物理學(xué)家只有在結(jié)果達(dá)到5 sigma顯著性時才宣布“發(fā)現(xiàn)”一個新粒子，當(dāng)信號達(dá)到5 sigma時，意味著信號是由隨機(jī)波動產(chǎn)生的幾率為350萬分之一，這樣信號是由隨機(jī)波動產(chǎn)生的幾率就非常非常小。

他們考慮的其他可能性不那么令人信服，但仍然值得認(rèn)真對待。

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氙氣中可能有未被發(fā)現(xiàn)的放射性氚（一種含有兩個中子的氫）的痕跡，導(dǎo)致周圍的液體閃光。馬滕斯說，氙氣團(tuán)隊(duì)從一開始就努力避免這種影響。不過，他說，這里所討論的微量氚是不可能被完全剔除出來的。由于XENON1T設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)被拆開，以建立一個更大的未來實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以已經(jīng)不可能再回去檢查了。

并沒有參加氙氣實(shí)驗(yàn)的賓夕法尼亞州維拉諾瓦大學(xué)的物理學(xué)家喬伊·尼爾森（Joey Neilsen）說，假設(shè)將氚的數(shù)據(jù)擬合到3.2?sigma的水平，這相當(dāng)于隨機(jī)波動產(chǎn)生信號的概率約為700分之1。

還有另一種可能，那就是來自太陽的已知的微弱中微子也流經(jīng)地球，與磁場的相互作用比預(yù)期的更強(qiáng)烈，在液氙中產(chǎn)生了閃光。如果這是真的，根據(jù)氙氣合作組織的聲明，中微子可以解釋他們看到的信號。他們寫道，這一假設(shè)有3.2?sigma的可信度。

但Yu指出，即使中微子能解釋氙的結(jié)果，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型也必須重新排列，以解釋預(yù)期之外的中微子行為。

Yu說，還有一條線索，可以告訴我們是否應(yīng)該認(rèn)真對待太陽軸子假說，那就是數(shù)據(jù)隨著季節(jié)的變化。

她說：“如果信號確實(shí)來自太陽軸子，人們會認(rèn)為由于太陽與地球的相對位置變化，信號會受到變化。”

Yu說，隨著我們的地球遠(yuǎn)離太陽，太陽軸子流應(yīng)該會減弱。隨著地球離太陽越來越近，信號應(yīng)該會越來越強(qiáng)。

馬滕斯說，氙探測器中捕獲的信號沒有季節(jié)性變化，信號太微弱了，而且實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了僅僅兩年的時間，太短暫了，XENON1T設(shè)備無法識別這種變化。

物理學(xué)家們很可能會把XENON1T的結(jié)果作為近期的初步研究對象。研究小組說，即將進(jìn)行的一項(xiàng)名為XENONnt的更大的氙氣實(shí)驗(yàn)，仍在意大利建設(shè)中，一旦完成，將提供更清晰的數(shù)據(jù)。正在美國和中國建設(shè)的實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步豐富現(xiàn)有數(shù)據(jù)。

馬滕斯說，一個希望便是，當(dāng)更靈敏的氙氣探測器XENONnt完成其5年的運(yùn)行后，數(shù)據(jù)季節(jié)變化能被監(jiān)測到。他說，這將有力推動太陽軸子假說。然后所有的國際實(shí)驗(yàn)組織可能會集合他們的氙氣來建造一個30噸重的探測器。也許這樣就能詳細(xì)研究這個信號了（如果它是真的），或者探測其他暗粒子。

這些結(jié)果仍然是初步的。盡管如此，普雷斯科德.韋恩斯坦(Prescod-Weinstein)說，在這一消息宣布之前，物理學(xué)界其實(shí)已經(jīng)有了很多類似結(jié)果的討論。

她寫道：“如果這是真的，這是一件大事。”“在沒有時間檢查結(jié)果和與同行討論的情況下，我不敢評論數(shù)據(jù)的可信度。當(dāng)然我更喜歡一些5?sigma的結(jié)果！”

(完)

(內(nèi)容轉(zhuǎn)自LiveScience.com)

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