今年3月，探測宇宙早期中性氫的21cm超精細電磁輻射的EDGES實驗組宣佈探測到了宇宙第一代恆星開始形成時的黎明時代（Cosmic Dawn，對應宇宙紅移約17）相應的21cm 宇宙微波背景輻射吸收譜信號。這是人類歷史上首次探測到來自宇宙黎明時代的信號，意義重大。但令人感到困惑的是，實驗探測到的吸收信號幅度比標準宇宙學理論預測的可能最大幅度還大（置信度3.8σ）。迄今為止，標準宇宙學模型（ΛCDM）取得了巨大的成功，該理論框架相當準確地解釋了宇宙的各種結構和性質。因此EDGES觀測到的反常信號或許暗示著即將開啟一個後ΛCDM宇宙學時代，並且可能為解開暗物質之謎提供一個新途徑。這個發現暗示了宇宙黎明時代中性氫氣體的溫度比標準宇宙學理論預期的更冷（或光子背景溫度比預期的更熱）。一般來說，提高中性氫氣體的溫度比較容易，但降低很難，因為降低中性氫氣體的溫度需要溫度更低的暗物質來冷卻，這對各種暗物質模型帶來了巨大的挑戰。目前大多數暗物質模型難以自然地解釋EDGES的結果，因為必須同時滿足目前粒子物理、天體物理、宇宙學及暗物質探測實驗的大量限制。
EDGES宣佈的結果引發了大量跟蹤研究。近期，中國科學院理論物理研究所研究員李田軍及其合作者提出利用一種暗物質候選粒子——軸子來自然地解釋這種反常的冷卻效應。相關研究成果已發表於 《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 121, 111301 (2018)）。
軸子（Axion）最初是為了解釋Strong CP問題（即為什麼在強相互作用中CP守恆）而引入的，是超出標準模型的新粒子。在包含軸子的標準模型擴展中，引入了額外的整體U(1)PQ對稱性，該對稱性在Peccei-Quinn能標（遠高於QCD手徵對稱性破缺能標）自發破缺，Goldstone 理論告訴我們該模型包含一個無質量的贗標Goldstone玻色場，即軸子場。由於QCD瞬子效應（Instanton Effect）破壞整體U(1)PQ對稱性，故此軸子場在QCD手徵對稱性破缺能標之下獲得很小的質量。另外，源於超弦理論中二形式反對稱張量場的四維緊緻化，在弦論中也不可避免的存在類似屬性的粒子，這類粒子一般稱為類軸子。
軸子（Axion）和類軸子（Axion-Like Particles）屬於WISPs （Weakly Interaction Sub-eV Particles），是一種理想的暗物質粒子候選者。軸子暗物質在早期宇宙演化的適當時期可通過引力相互作用在Condensed Regime形成玻色-愛因斯坦凝聚（Axion BEC），該凝聚態的量子特性使得中性氫氣體與Axion的引力耦合得以加強。在此工作中，李田軍及其合作者正是利用了暗物質軸子的玻色-愛因斯坦凝聚，在黎明時代前冷卻中性氣體氫，在此過程中，軸子凝聚形成的大尺度關聯放大了這種冷卻效應，因此，中性氣體氫能夠以一種簡單合理的方式被冷卻，最終自然地解釋了EDGES觀測到的反常信號。
近年來，軸子成為暗物質實驗探測的一個重要方向，粒子物理、天體物理與宇宙學的交叉研究也越來越受關注。軸子是暗物質非常有希望的候選者，並且探測Axion實驗的花費也相對較便宜，使得人們提出了各種尋找軸子的實驗方案，有的已初步進行了實驗並得到重要的物理結果，例如CERN的太陽軸子望遠鏡CAST實驗和華盛頓大學的ADMX等。有的正在計劃當中，例如由CAST升級的下一代IAXO實驗，另外還有歐洲空間局的EUCLID宇宙大尺度巡天望遠鏡等。這些實驗都非常有希望檢驗軸子暗物質理論的參數空間。該工作預言的軸子質量範圍是10-450meV（類軸子）和100-450meV(QCD軸子)，正好處於下一代軸子探測實驗IAXO及EUCLID的靈敏度範圍內，故能被將來的實驗檢驗。
該工作由理論物理所李田軍、博士後Nick Houston，暨南大學物理系副教授楊嶠立，理論物理所博士李闖，中科院國家天文臺研究生張欣合作完成。此研究是粒子物理學、宇宙學與天體物理領域交叉合作的研究成果。
圖：滿足EDGES實驗結果的軸子的參數空間範圍：（上圖是Axion-Like Particles對應的參數空間，下圖是QCD Axion對應的參數空間，及其實驗限制和 IAXO 的檢驗）。
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