左圖 粒子藝術(shù)圖。右圖 光通過普朗克衛(wèi)星的藝術(shù)圖。普朗克衛(wèi)星已經(jīng)看到了可能由類軸子產(chǎn)生的“蛛絲馬跡”。
圖片來源：《新科學(xué)家》網(wǎng)站
暗能量與暗物質(zhì)被稱為“21世紀(jì)初物理學(xué)天空的兩朵烏云”，但中國科學(xué)院高能物理研究所副研究員高宇和暨南大學(xué)理工學(xué)院教授楊嶠立在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)，不約而同地指出，經(jīng)過多年探索，物理學(xué)家開始意識到，被稱為軸子的假想粒子，不僅可解釋暗物質(zhì)和強(qiáng)作用的基本對稱性問題，還可解釋暗能量甚至正反物質(zhì)不平衡之謎。
鑒于軸子身負(fù)破解多個宇宙學(xué)謎團(tuán)的重任，搜索軸子的“尋寶游戲”也在世界多地如火如荼地開展了。
軸子是“何方神圣”
1977年，物理學(xué)家弗朗克·維爾切克的一次日常散步，永遠(yuǎn)改變了一些科學(xué)家探索的腳步。
在那次散步中，他萌生了兩個想法。一是后來被稱為希格斯玻色子的理論粒子如何與其他粒子相互作用;二是設(shè)想利用軸子作為強(qiáng)電荷宇稱(CP)這一理論物理學(xué)問題的解決方案。
高宇解釋說：“維爾切克所稱的‘軸子’，是基于理論物理學(xué)家為解決量子色動力學(xué)中的對稱性理論所預(yù)言的新基本粒子。‘軸子’的英文名是個文字游戲：AXI-ON=軸+粒子，維爾切克當(dāng)時(shí)覺得一個同名的洗滌劑商標(biāo)非常適合描述該粒子的性質(zhì)，于是取了這個名字。”
研究人員指出，軸子如果存在，將遵守量子力學(xué)的奇怪規(guī)則。這意味著它們既可以是波，又可以是粒子。作為粒子，其質(zhì)量將非常低，約是電子質(zhì)量的10-11—10-9倍。其宏觀波長甚至和星系的寬度相當(dāng)，長達(dá)3000光年。
有望揭示多個謎團(tuán)
科學(xué)家引入軸子，本質(zhì)上是希望它很弱，從而表征出極弱的CP破缺。這導(dǎo)致軸子質(zhì)量很小，而且理論上幾乎不與其他粒子相互作用，而這一點(diǎn)反倒讓軸子成為了暗物質(zhì)研究的理想候選者，因?yàn)檫@些特性恰好與暗物質(zhì)如出一轍。
“暗物質(zhì)之所以是暗的，就是它們幾乎不和光發(fā)生相互作用，既不反射光線，也不產(chǎn)生光線，這和軸子的微弱相互作用的特性剛好契合。”楊嶠立說。
早期宇宙中充斥著大量能量。隨著宇宙不斷冷卻，軸子場開始振蕩，以脈動光和熱的形式釋放能量，這些振蕩攜帶的能量密度就像暗物質(zhì)一樣演化。
楊嶠立解釋說：“當(dāng)軸子的質(zhì)量非常輕的時(shí)候，宇宙的年齡甚至有可能小于軸子場振動一次需要的時(shí)間，軸子因此可被看作是一種暗能量。如此一來，宇宙越膨脹，軸子場的能量越大，就可推動宇宙不斷繼續(xù)膨脹。”
軸子還有望為宇宙中另外兩個謎團(tuán)提供線索。首先是哈勃常數(shù)危機(jī)。科學(xué)家把對宇宙微波背景的測量結(jié)果與當(dāng)前的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)合在一起得出的哈勃常數(shù)，始終明顯低于根據(jù)Ia型超新星和其他天體物理學(xué)標(biāo)記所獲得的觀測結(jié)果。科學(xué)家預(yù)測，如果早期宇宙中存在某些類似軸子的粒子，它們可改變基于宇宙微波背景的預(yù)測，從而消除哈勃常數(shù)危機(jī)。
其次是正反物質(zhì)不平衡之謎。宇宙誕生時(shí)，應(yīng)該產(chǎn)生了數(shù)量相同的正反物質(zhì)，它們彼此相遇后本應(yīng)立即湮滅，但事實(shí)上物質(zhì)占據(jù)了主導(dǎo)地位。2020年發(fā)表于《物理評論快報(bào)》上的一篇文章指出，在宇宙大爆炸之初，軸子場的運(yùn)動可產(chǎn)生正反物質(zhì)不平衡，使演化至今的宇宙中物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)，因此萬物或起源于軸子場。
“獵捕”行動各出奇招
鑒于軸子幾乎不與其他粒子相互作用，且質(zhì)量極低，因此探測軸子極具挑戰(zhàn)性，但一些“獵捕”行動已經(jīng)開啟。
目前最大的實(shí)驗(yàn)是美國華盛頓大學(xué)的軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)(ADMX)，其目標(biāo)是利用磁場捕捉衰變?yōu)楣庾拥妮S子。從理論上來說，宇宙中的軸子可以在超導(dǎo)磁鐵包圍著的微波諧振腔內(nèi)轉(zhuǎn)化成低能的微波光子，微波光子經(jīng)諧振腔放大進(jìn)而被探測器探測到。
歐洲核子研究中心的“軸子太陽望遠(yuǎn)鏡”則另辟蹊徑，利用X射線望遠(yuǎn)鏡探測太陽產(chǎn)生的軸子。太陽中的核反應(yīng)過程會產(chǎn)生中微子、高能光子等多種粒子，也可能產(chǎn)生軸子，而且產(chǎn)生的軸子動能極高，其轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子能量在X射線波段，可用X射線望遠(yuǎn)鏡觀測到。
此外，軸子—光子振蕩可改變遙遠(yuǎn)星體的能譜形狀，在我國的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡、引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器衛(wèi)星、高海拔宇宙線觀測站等高精度或高能量天文觀測中或能捕捉到其“蛛絲馬跡”。
近幾年來，各種新型小實(shí)驗(yàn)也層出不窮，這些實(shí)驗(yàn)利用了軸子質(zhì)量范圍很廣的特點(diǎn)。英國謝菲爾德大學(xué)名為“隱藏區(qū)量子傳感”的新實(shí)驗(yàn)將于2024年啟動。與其他軸子搜索實(shí)驗(yàn)相比，該實(shí)驗(yàn)可在接近絕對零度的溫度下運(yùn)行，這將使實(shí)驗(yàn)基本上處于量子狀態(tài)，因此有望比其他實(shí)驗(yàn)更靈敏。
楊嶠立說，日趨成熟的軸子尚有寬廣的參數(shù)空間有待探索。美國麻省理工學(xué)院和耶魯大學(xué)、意大利國家核物理研究院、韓國軸子和精密物理中心等國際一流大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在積極開展相關(guān)研究。
高宇和楊嶠立都認(rèn)為，以ADMX為代表的共振腔實(shí)驗(yàn)技術(shù)使國際上出現(xiàn)了暗物質(zhì)軸子的搜尋熱潮。目前國內(nèi)已具備趕超國際先進(jìn)水平的實(shí)驗(yàn)條件，諸多探測方案如自旋磁測量和多種共振腔正在積極推動中，其中一些是國內(nèi)自主提出的原創(chuàng)性方案。
