物理学家苦寻40多年的新粒子再次梦碎：看太阳就觉得不对

在过去的几个月里，一阵关于新粒子的热情曾在高能物理学界里飘荡。

热情起源于位于意大利格兰萨索的地下实验室，那里有着全球最灵敏的暗物质实验XENON1T（“氙一吨”）。

6月份，XENON1T宣布观测到了来源不明的意外结果，可能是一种被称作“轴子”（Axion）的新粒子。

轴子在1977年被物理学家预言存在，由诺奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）命名。要知道，“标准模型”早已给人类已知的所有粒子都安排好了一个位置。一旦“标准模型”之外的轴子被确定存在，将是物理学界多年未有的重大突破。

就在几天前，维尔切克线上参与上海举行的第三届世界顶尖科学家论坛（WLF），仍满怀对轴子的期许：他认为短期内粒子物理领域最大的突破会出现暗物质方向上，而且很可能就是“轴子”。

然而，德国电子同步加速器（DESY）、西班牙巴塞罗那大学等团队联合近日发表在《物理评论快报》（PRL）上的一篇论文指出，他们对XENON1T实验数据的分析结果排除了轴子的可能性，主要根据在于和天文学观测结果不符。

研究人员对 “物理学家组织网”表示：“我们这项研究希望让学术界回归正轨，起初关于可能‘发现了轴子’的热情或许把实验和理论力量带向了死胡同。”

什么是轴子？

43年前，“轴子”假说的提出是为了深入解释现代物理中的对称性问题。

我们知道，自然界有四大基本力，分别是引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。

1956 年李政道、杨振宁与吴健雄等人提出并在实验上验证了宇称P在弱相互作用中不守恒。后来人们发现弱相互作用中正反粒子共轭（C）与宇称（P）的联合变换CP 也不守恒。C 变换即将一个粒子变成它的反粒子，P 变换即空间坐标反演。

那么，强相互作用中CP变换守不守恒呢？

1977年，诺奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和维尔切克提出了轴子模型。在解决强CP 问题的方案之中，轴子最为自然，也最为优雅，引起了众多关注。

根据模型，轴子是一种质量很小的粒子，可能只有电子质量的万亿分之一。它与其他物质相互作用极其微弱，因此很难通过对撞机等高能物理实验装置寻找。

不过，同样根据理论，轴子与光子在强电磁场中会相互转化。太阳因此应是一个天然轴子源。

根据理论预测，太阳是个天然的轴子源。然而，它释放轴子的效率不会很高。

暗物质候选人？

有趣的是，为了解决粒子物理理论问题而提出的轴子模型，也可能破解天体物理学家苦苦寻觅的暗物质谜团。

所谓暗物质，指的是它不与光相互作用，无法被“看”到，但它的存在切切实实地影响到了可见物质的运动，从星系到宇宙学尺度上的观测均可验证。

比如，我们所在的太阳系围绕银河系中心旋转的实际速度，明显快于基于牛顿引力定律的计算结果。这意味着，银河系中大量不可见的神秘物质提供了额外的引力。若非如此，太阳系早该被“甩”出去才是。这些不可见的物质，质量应该高达宇宙中物质总量的85%，远远大于我们认知的物质。

理论物理学家们提出，轴子贡献了这些难以解释的宇宙质量的一部分，可能就是暗物质。

意料之外的信号

XENON国际合作组织由来自10个国家（地区）、28个研究机构的163名研究人员组成，主要分布在欧、美、日。

同国际上其他主流的暗物质团队一样，XENON采取的是守株待兔的思路：囤积数以吨计的液氙，等待与暗物质粒子进行一次“电光石火”的碰撞。

一旦暗物质粒子与其中一个氙原子发生了碰撞，其冲能就会转化为光电信号，被探测器中灵敏的光电管记录下来。实验室设立在千米深的地下，是为了更好地屏蔽外界的噪音。

虽然名字叫“氙一吨”，但该实验目前实际用到了3.2吨超纯液氙，其中2吨用于被撞。

当然，科学家们考虑到了会有已知的常规粒子闯入其中。他们预期这些粒子会产生232个信号。

没想到，最终实验出现了285个信号。既然不符合WIMPs的特征，这多出来的53个，从何而来？

XENON科学家们当时给出了三种可能的解释，其一就是太阳轴子产生了光电信号。虽然这些由太阳产生的轴子不可能是宇宙暗物质的来源，但证明新粒子的存在本身就是重磅发现。

不过，其他更常规的可能性也无法被排除，例如是微量氚杂质产生的误差。

与天体物理现象的冲突

当意外的结果出现时，这个欧洲联合团队处于比较有利的分析优势。他们当时正在对各种天体物理的轴子释放效应进行全面调查。

因此，他们很快意识到如果要用轴子来解释XENON实验结果的话，那么相应的轴子属性会与恒星演化的观测结果形成强烈冲突。

简单来说，因为太阳的核心密度和温度在恒星算比较低的，按照相关理论模型，太阳产生轴子的效率不会高。

如果XENON实验的过剩信号是太阳轴子的话，那么其他类型的恒星就会如同强烈的“轴子灯塔”，从内核中以极大的速率释放能量，它们的演化过程也会被彻底改变。显然，这与过去的天文观测结果严重冲突了。

该团队在论文中不断强调轴子和天体物理学关联的重要性。他们相信，轴子的存在证据最终会出现在天体物理学观测中。