澎湃新聞記者 虞涵棋
在過去的幾個月裡，一陣關於新粒子的熱情曾在高能物理學界裡飄蕩。
熱情起源於位於意大利格蘭薩索的地下實驗室，那裡有著全球最靈敏的暗物質實驗XENON1T（“氙一噸”）。
6月份，XENON1T宣佈觀測到了來源不明的意外結果，可能是一種被稱作“軸子”（Axion）的新粒子。
軸子在1977年被物理學家預言存在，由諾獎得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）命名。要知道，“標準模型”早已給人類已知的所有粒子都安排好了一個位置。一旦“標準模型”之外的軸子被確定存在，將是物理學界多年未有的重大突破。
就在幾天前，維爾切克線上參與上海舉行的第三屆世界頂尖科學家論壇（WLF），仍滿懷對軸子的期許：他認為短期內粒子物理領域最大的突破會出現暗物質方向上，而且很可能就是“軸子”。
然而，德國電子同步加速器（DESY）、西班牙巴塞羅那大學等團隊聯合近日發表在《物理評論快報》（PRL）上的一篇論文指出，他們對XENON1T實驗數據的分析結果排除了軸子的可能性，主要根據在於和天文學觀測結果不符。
研究人員對 “物理學家組織網”表示：“我們這項研究希望讓學術界迴歸正軌，起初關於可能‘發現了軸子’的熱情或許把實驗和理論力量帶向了死衚衕。”
什麼是軸子？
43年前，“軸子”假說的提出是為了深入解釋現代物理中的對稱性問題。
我們知道，自然界有四大基本力，分別是引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。
1956 年李政道、楊振寧與吳健雄等人提出並在實驗上驗證了宇稱P在弱相互作用中不守恆。後來人們發現弱相互作用中正反粒子共軛（C）與宇稱（P）的聯合變換CP 也不守恆。C 變換即將一個粒子變成它的反粒子，P 變換即空間座標反演。
那麼，強相互作用中CP變換守不守恆呢？
1977年，諾獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）和維爾切克提出了軸子模型。在解決強CP 問題的方案之中，軸子最為自然，也最為優雅，引起了眾多關注。
根據模型，軸子是一種質量很小的粒子，可能只有電子質量的萬億分之一。它與其他物質相互作用極其微弱，因此很難通過對撞機等高能物理實驗裝置尋找。
不過，同樣根據理論，軸子與光子在強電磁場中會相互轉化。太陽因此應是一個天然軸子源。
根據理論預測，太陽是個天然的軸子源。然而，它釋放軸子的效率不會很高。
暗物質候選人？
有趣的是，為了解決粒子物理理論問題而提出的軸子模型，也可能破解天體物理學家苦苦尋覓的暗物質謎團。
所謂暗物質，指的是它不與光相互作用，無法被“看”到，但它的存在切切實實地影響到了可見物質的運動，從星系到宇宙學尺度上的觀測均可驗證。
比如，我們所在的太陽系圍繞銀河系中心旋轉的實際速度，明顯快於基於牛頓引力定律的計算結果。這意味著，銀河系中大量不可見的神秘物質提供了額外的引力。若非如此，太陽系早該被“甩”出去才是。這些不可見的物質，質量應該高達宇宙中物質總量的85%，遠遠大於我們認知的物質。
理論物理學家們提出，軸子貢獻了這些難以解釋的宇宙質量的一部分，可能就是暗物質。
意料之外的信號
XENON國際合作組織由來自10個國家（地區）、28個研究機構的163名研究人員組成，主要分佈在歐、美、日。
同國際上其他主流的暗物質團隊一樣，XENON採取的是守株待兔的思路：囤積數以噸計的液氙，等待與暗物質粒子進行一次“電光石火”的碰撞。
一旦暗物質粒子與其中一個氙原子發生了碰撞，其衝能就會轉化為光電信號，被探測器中靈敏的光電管記錄下來。實驗室設立在千米深的地下，是為了更好地屏蔽外界的噪音。
雖然名字叫“氙一噸”，但該實驗目前實際用到了3.2噸超純液氙，其中2噸用於被撞。
當然，科學家們考慮到了會有已知的常規粒子闖入其中。他們預期這些粒子會產生232個信號。
沒想到，最終實驗出現了285個信號。既然不符合WIMPs的特徵，這多出來的53個，從何而來？
XENON科學家們當時給出了三種可能的解釋，其一就是太陽軸子產生了光電信號。雖然這些由太陽產生的軸子不可能是宇宙暗物質的來源，但證明新粒子的存在本身就是重磅發現。
不過，其他更常規的可能性也無法被排除，例如是微量氚雜質產生的誤差。
與天體物理現象的衝突
當意外的結果出現時，這個歐洲聯合團隊處於比較有利的分析優勢。他們當時正在對各種天體物理的軸子釋放效應進行全面調查。
因此，他們很快意識到如果要用軸子來解釋XENON實驗結果的話，那麼相應的軸子屬性會與恆星演化的觀測結果形成強烈衝突。
簡單來說，因為太陽的核心密度和溫度在恆星算比較低的，按照相關理論模型，太陽產生軸子的效率不會高。
如果XENON實驗的過剩信號是太陽軸子的話，那麼其他類型的恆星就會如同強烈的“軸子燈塔”，從內核中以極大的速率釋放能量，它們的演化過程也會被徹底改變。顯然，這與過去的天文觀測結果嚴重衝突了。
該團隊在論文中不斷強調軸子和天體物理學關聯的重要性。他們相信，軸子的存在證據最終會出現在天體物理學觀測中。
責任編輯：李躍群
校對：劉威
