北京時(shí)間 3 月 11 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，科學(xué)家一直在探索暗物質(zhì)的真實(shí)“身份”和組成?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)，為一種被稱為軸子（axion）的假想粒子提供了支持，認(rèn)為這很可能是暗物質(zhì)的主要成分之一。
▲ 子彈星系團(tuán)（Bullet Cluster）的合成圖像。子彈星系團(tuán)由一對(duì)迎面碰撞的星系團(tuán)組成，得到了廣泛的研究，并被認(rèn)為是暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)。其中一個(gè)星系團(tuán)穿過(guò)另一個(gè)，就像子彈穿過(guò)蘋(píng)果一樣，可能顯示出暗物質(zhì)（藍(lán)色）與熾熱氣體（粉色）分離的明顯跡象。
1933 年，天文學(xué)家首次推斷宇宙中存在某種看不見(jiàn)的物質(zhì)，后來(lái)，這些“丟失的質(zhì)量”被稱為暗物質(zhì)。自此之后，暗物質(zhì)一直是全世界天文學(xué)家和物理學(xué)家追逐的神秘對(duì)象。盡管有理論認(rèn)為暗物質(zhì)占宇宙中所有物質(zhì)的 85%，但這些看不見(jiàn)的物質(zhì)究竟是由什么組成的，仍然是一個(gè)謎。
什么是軸子？
一些研究人員認(rèn)為，暗物質(zhì)實(shí)際上可能是一種名為“軸子”的奇怪粒子。這是一種假想的基本粒子，具有極微小的質(zhì)量和能量。軸子最初于 1977 年提出，用來(lái)解決粒子物理學(xué)中所謂的“強(qiáng) CP 問(wèn)題”—— 為什么 CP 在量子色動(dòng)力學(xué)中不被破壞？
這是一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的疑難問(wèn)題。CP 是粒子物理學(xué)中兩個(gè)對(duì)稱運(yùn)算的乘積：C 對(duì)稱即電荷對(duì)稱，量子操作為電荷共軛運(yùn)算，可以將一個(gè)帶電荷粒子轉(zhuǎn)化為其反粒子；P 是宇稱，宇稱運(yùn)算會(huì)造成一個(gè)物理系統(tǒng)的鏡像。在強(qiáng)相互作用和電磁作用中，CP 轉(zhuǎn)化運(yùn)算對(duì)整個(gè)物理系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響，即 CP 對(duì)稱；但在一定的弱相互作用中，這個(gè)對(duì)稱會(huì)被微小地打破（CP 破壞）。對(duì) CP 破壞的研究至今仍然是理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中非?；钴S的領(lǐng)域。
在 CP 對(duì)稱中，如果一個(gè)粒子與它的反粒子交換，或者當(dāng)它被倒置或成為鏡像時(shí)，涉及的物理定律應(yīng)當(dāng)是相同的。在量子色動(dòng)力學(xué)中，強(qiáng)相互作用可能會(huì)導(dǎo)致 CP 破壞，但科學(xué)家從未觀察到這種破壞。
歐洲核子研究中心（負(fù)責(zé)運(yùn)行大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的機(jī)構(gòu)）的粒子物理學(xué)家約翰?埃利斯說(shuō)：“我們已經(jīng)知道，這種 CP 對(duì)稱區(qū)分了粒子和反粒子。我們也知道，弱相互作用中會(huì)出現(xiàn) CP 破壞。這是一個(gè)謎，為什么在強(qiáng)相互作用中沒(méi)有違反這種對(duì)稱？”自軸子被提出以來(lái)，埃利斯就一直從事這方面的研究。
1977 年，研究者提出了標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)擴(kuò)展，在這個(gè)擴(kuò)展中，強(qiáng)相互作用不會(huì)破壞 CP 對(duì)稱，“這個(gè)理論預(yù)測(cè)了軸子的存在”。2020 年，一個(gè)物理學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了軸子存在的第一個(gè)直接證據(jù)，使得這種假想粒子更具合理性，也引起了科學(xué)界對(duì)軸子的興趣，同時(shí)進(jìn)一步支持了軸子可能是暗物質(zhì)最佳候選粒子的觀點(diǎn)。
“暗物質(zhì)占宇宙中物質(zhì)的絕大部分，而我們不知道它究竟是什么。在所有科學(xué)中最突出的問(wèn)題之一，便是‘什么是暗物質(zhì)？’”新研究的第一作者、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)助理教授本杰明?薩夫迪在一份聲明中說(shuō)，“我們猜測(cè)這是一種未知的新粒子，而軸子可能就是這種粒子。它可能在大爆炸中大量產(chǎn)生，并漂浮在宇宙中，可以解釋天體物理學(xué)已經(jīng)取得的觀察結(jié)果。”
放棄 WIMP？
▲ 暗物質(zhì)“毛發(fā)”。一些研究人員認(rèn)為，暗物質(zhì)以這種“網(wǎng)狀”的模式分布在整個(gè)宇宙中。
在 2 月 23 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上的兩篇綜述中，研究人員描述了軸子如何成為暗物質(zhì)的主要候選粒子，以及物理學(xué)家將如何更深入地研究這種粒子，或許還將解釋暗物質(zhì)之謎。
到目前為止，在眾多可能組成暗物質(zhì)的候選成分中，一直處于領(lǐng)先地位的當(dāng)屬“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（weakly interacting massive particles，簡(jiǎn)稱 WIMP）。WIMP 是一個(gè)很籠統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)，描述的是一種仍然停留在理論階段的假想粒子，只通過(guò)弱核力和引力與普通物質(zhì)發(fā)生非常微弱的相互作用。據(jù)預(yù)測(cè)，WIMP 的質(zhì)量是質(zhì)子的 1 到 1000 倍。
然而，盡管 WIMP 是最有希望的暗物質(zhì)候選成分，在過(guò)去的幾年里，WIMP 并沒(méi)有出現(xiàn)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，也沒(méi)有出現(xiàn)在對(duì)暗物質(zhì)的直接搜索中。因此，隨著 WIMP 逐漸失去作為暗物質(zhì)候選粒子的光環(huán)。
我們能否捕獲軸子？
隨著對(duì) WIMP 的研究陷入僵局，研究人員開(kāi)始探索可以采取哪些步驟來(lái)確認(rèn)軸子的存在，并進(jìn)一步確定它是否可能是暗物質(zhì)。研究人員在綜述中提出，他們有可能最終“捕獲”軸子，并通過(guò)預(yù)測(cè)其質(zhì)量來(lái)確認(rèn)其存在。
在這兩篇綜述中，研究人員提出了物理學(xué)家可以采用的幾種不同的方法，既可以預(yù)測(cè)軸子的質(zhì)量，也可以將其作為暗物質(zhì)的候選者進(jìn)行研究。這些方法包括使用光暈儀（haloscope），這種儀器可以“觀察來(lái)自銀暈的微波光子信號(hào)”。（星系暈是星系周?chē)粋€(gè)巨大的球形空間區(qū)域，其范圍超出了可見(jiàn)物質(zhì)的范圍。）
研究人員預(yù)計(jì)，在這樣的實(shí)驗(yàn)中，軸子會(huì)在微波空腔中轉(zhuǎn)換成電磁波，盡管這種情況會(huì)非常罕見(jiàn)。理論上，這種電磁波是能夠被探測(cè)到的。
研究人員還提出了物理學(xué)家們目前正在使用，并可能用于尋找軸子的其他方法，包括使用地面望遠(yuǎn)鏡，例如使用歐洲核子研究中心的軸子太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（CAST）來(lái)探測(cè)太陽(yáng)核心產(chǎn)生的軸子，甚至發(fā)現(xiàn)中子星磁層中的軸子 —— 在那里它們可能會(huì)轉(zhuǎn)換為光子，并留下明顯的光譜特征。
尋找質(zhì)量
在這兩篇綜述中，研究人員探索了可以讓科學(xué)家探測(cè)軸子的前沿技術(shù)，而目前較流行的軸子探測(cè)技術(shù)之一，便是嘗試在微波空腔中探測(cè)電磁波。
不過(guò)，在 2 月 25 日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上的另一項(xiàng)新研究中，研究人員使用美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的超級(jí)計(jì)算機(jī) —— 目前世界上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一 —— 模擬了軸子的產(chǎn)生過(guò)程。
在該團(tuán)隊(duì)的模擬中，軸子幾乎就在大爆炸后立即產(chǎn)生；他們還將宇宙中暗物質(zhì)的總質(zhì)量和產(chǎn)生的軸子總數(shù)考慮在內(nèi)，從而估計(jì)出軸子的可能質(zhì)量。模擬結(jié)果顯示，軸子的質(zhì)量是理論物理學(xué)家預(yù)期的兩倍多，達(dá)到 40 到 180μeV（大致相當(dāng)于一個(gè)電子質(zhì)量的 100 億分之一）。
研究小組還發(fā)現(xiàn)，軸子可以產(chǎn)生比預(yù)期更高頻率的電磁波，而該頻率超出了實(shí)驗(yàn)中通常用于探測(cè)軸子電磁波的范圍，在這些軸子實(shí)驗(yàn)中，模擬程序不知道應(yīng)該調(diào)到哪個(gè)頻率，因此必須掃描許多不同的可能性。
對(duì)于模擬的結(jié)果，研究人員形容早期宇宙中的軸子可能表現(xiàn)得就像“從野馬上摔下來(lái)的騎手”。
你可以想象這些繩子由軸子組成，在宇宙擴(kuò)張的過(guò)程中，繩子向周?chē)Τ?，形成圓環(huán)，互相連接，并經(jīng)歷許多劇烈的動(dòng)力過(guò)程。位于邊緣的軸子正試圖緊緊抓住繩子，但當(dāng)一些過(guò)于劇烈的過(guò)程發(fā)生時(shí)，它們就會(huì)從這些繩子上甩出去。而那些脫離繩子的軸子最終會(huì)在很久以后變成暗物質(zhì)。
當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有解決了暗物質(zhì)問(wèn)題，也沒(méi)有給出關(guān)于軸子的確切描述。但隨著越來(lái)越多的研究者繼續(xù)推進(jìn)這類(lèi)實(shí)驗(yàn)，在不久的將來(lái)，或許我們就能更好地理解這些假想粒子究竟是什么，并最終解開(kāi)暗物質(zhì)之謎。
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